在低功率壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)電路內(nèi)，意法半導(dǎo)體最新超結(jié)MOSFET與IGBT技術(shù)能效比較

　　摘要

　　電機(jī)驅(qū)動(dòng)市場特別是家電市場對系統(tǒng)的能效、尺寸和穩(wěn)健性的要求越來越高。

　　為滿足市場需求，意法半導(dǎo)體針對不同的工況提供多種功率開關(guān)技術(shù)，例如， IGBT和最新的超結(jié)功率MOSFET。

　　本文在實(shí)際工況下的一個(gè)低功耗電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路(例如，小功率冰箱壓縮機(jī))內(nèi)測試了基于這兩種功率技術(shù)的SLLIMM?-nano(小型低損耗智能模壓模塊)，從電熱性能兩個(gè)方面對這兩項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)的分析和比較。

　　1前言

　　家電廠商不斷地尋求更高的產(chǎn)品能效，以符合日益趨嚴(yán)的能效法規(guī)，達(dá)到降低能耗和節(jié)省電費(fèi)的目的。更具體地講，主要需求是降低設(shè)備在低負(fù)載穩(wěn)態(tài)以及滿載工況下的功率損耗。因此，研發(fā)高能效開關(guān)，特別是在低電流條件下實(shí)現(xiàn)高能效，是達(dá)到這個(gè)市場需求的關(guān)鍵要素，同時(shí)也是半導(dǎo)體廠商研發(fā)新技術(shù)的動(dòng)力。

　　因?yàn)檫^去幾年技術(shù)改良取得較大進(jìn)步，意法半導(dǎo)體最新的功率MOSFET技術(shù)可以成功地替代變頻電機(jī)控制器的IGBT開關(guān)，而且在很多應(yīng)用領(lǐng)域特別是在低負(fù)載工況下是首選的功率開關(guān)解決方案。

　　除了對一般能效的持續(xù)需求外，整個(gè)變頻系統(tǒng)設(shè)計(jì)還需要優(yōu)化尺寸、可靠性和開發(fā)工作量。為滿足這些多重目標(biāo)，在成功推出SLLIMM系列后，意法半導(dǎo)體的SLLIMM-nano產(chǎn)品家族新增兩種不同的功率開關(guān)技術(shù)：

　　· IGBT: IGBT: 3/5/8 A、600 V內(nèi)置超高速二極管的PowerMESH? 和溝槽場截止IGBT - STGIPNxH60y, STGIPQxH60y

　　· 超結(jié)MOSFET: 3/5 A、600V 內(nèi)置快速恢復(fù)二極管N溝道 MDMesh? DM2 功率MOSFET - STIPQxM60y

　　從這兩項(xiàng)技術(shù)中選擇哪一項(xiàng)技術(shù)需要考慮多個(gè)因素，例如，功率大小、PWM開關(guān)頻率、工作溫度、控制策略。

　　本文在小功率壓縮機(jī)典型工況中對兩個(gè)不同的SLLIMM-nano智能功率模塊進(jìn)行了詳細(xì)的電氣表征和熱性能比較，這兩款模塊分別采用下面兩項(xiàng)開關(guān)技術(shù)：3 A PowerMESH IGBT (STGIPQ3H60x)和 3 A 超結(jié)MOSFET(STIPQ3M60x)。

　　2電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用和硬開關(guān)換流

　　電機(jī)控制的主要應(yīng)用包括基于三個(gè)半橋的變壓變頻逆變器。在硬開關(guān)換流半橋拓?fù)鋬?nèi)，續(xù)流二極管必須具有低正向偏壓和快速反向恢復(fù)(低 trr 和 Qrr)的特性。電機(jī)驅(qū)動(dòng)的典型開關(guān)頻率是在4 kHz 到 20 kHz范圍內(nèi)，以降低人耳能夠聽見的噪聲。要想優(yōu)化功率開關(guān)的低頻性能，首先是開關(guān)需具有低通態(tài)損耗，其次是低開關(guān)損耗。電機(jī)驅(qū)動(dòng)器還必須穩(wěn)健可靠，在保護(hù)電路激活前，能夠長時(shí)間耐受電壓電流突變。

　　因?yàn)槭菃螛O器件，無少數(shù)載流子，功率MOSFET的優(yōu)點(diǎn)是正向偏壓(VDS(on))隨漏極電流線性降低，關(guān)斷換流快。另一方面，其固有體硅二極管表現(xiàn)出與分立二極管相同的物理局限性，這是MOSFET結(jié)構(gòu)所致。

　　在IGBT內(nèi)，電壓降(VCE(sat))與集電極電流不是線性關(guān)系。在變?yōu)橥☉B(tài)前會(huì)出現(xiàn)一個(gè)閾壓，飽和時(shí)在某一個(gè)集電極電流之上有一個(gè)接近恒定的正向壓降。為取得預(yù)定的反向恢復(fù)能耗和正向偏壓，可以選擇共同封裝的二極管及其尺寸。

　　最后，與IGBT相比，功率MOSFET的通態(tài)損耗低，尤其是在低電流時(shí)更為顯著;關(guān)斷能耗低，但導(dǎo)通能耗較高。加快體硅二極管的反向恢復(fù)速度與所用技術(shù)工藝有關(guān)。

　　3 意法半導(dǎo)體的電機(jī)控制功率開關(guān)技術(shù)

　　為滿足電機(jī)控制的需求，意法半導(dǎo)體以SLLIMM-nano系列產(chǎn)品形式提供多種功率開關(guān)技術(shù)。

　　3.1. 內(nèi)置續(xù)流二極管的IGBT

　　SLLIMM-nano系列產(chǎn)品所用的600 V IGBT采用意法半導(dǎo)體獨(dú)有的先進(jìn)的PowerMESH(STGIPQ3H60x) 和溝槽場截止制造工藝 (STGIPQ5C60x, STGIPQ8C60x)。

　　這些功率器件提供典型的電機(jī)控制開關(guān)頻率，在壓降(VCE(sat))和開關(guān)能耗(Eon和Eoff)之間取得完美平衡，因此最大限度降低了通態(tài)和開關(guān)兩大損耗源產(chǎn)生的損耗。

　　IGBT和Turbo 2超高速高壓續(xù)流二極管安裝在同一個(gè)封裝內(nèi)，二極管經(jīng)過優(yōu)調(diào)處理，取得了最好的trr/VF 比和恢復(fù)軟度。

　　3.2. 超結(jié)MOSFET:

　　SLLIMM-nano系列產(chǎn)品所用的N溝道600 V超結(jié)MOSFET采用最新的MDMesh DM2快速二極管技術(shù)。改進(jìn)的壽命控制技術(shù)使內(nèi)部體硅二極管的恢復(fù)速度更快，軟度和穩(wěn)健性更好。極低的反向恢復(fù)電荷(Qrr) 和極縮的反向恢復(fù)時(shí)間(trr)以及很低的RDS(on)通態(tài)電阻，使其非常適用于高能效電橋拓?fù)滢D(zhuǎn)換器。

　　圖1: 垂直布局結(jié)構(gòu)

     4 功率損耗比較

　　在典型工作溫度 Tj = 100 °C范圍內(nèi)，我們從動(dòng)靜態(tài)角度對兩款器件進(jìn)行了比較分析。在小電流時(shí)，MOSFET SLLIMM-nano(顯示線性特性)的正向壓降低于IGBT模塊典型的類似于二極管的正向壓降，如圖 2所示，從圖中不難看出，在電流低于0.7A(平衡點(diǎn))時(shí)，超結(jié)MOSFET的靜態(tài)特性優(yōu)于PowerMESH IGBT。

　　另一方面，硬開關(guān)轉(zhuǎn)換器在開關(guān)導(dǎo)通和關(guān)斷過程中會(huì)發(fā)生功率損耗現(xiàn)象，因此，開關(guān)損耗也必須考慮在內(nèi)。開關(guān)損耗的主要誘因是續(xù)流二極管的反向恢復(fù)電荷，在導(dǎo)通過程中導(dǎo)致開關(guān)電流升高。

　　盡管超結(jié)MOSFET開關(guān)管優(yōu)化過的體硅二極管大幅降低了能耗，但I(xiàn)GBT還是能夠利用共同封裝的超快速二極管降低導(dǎo)通能耗。

圖2：輸出靜態(tài)特性比較

　　5 仿真結(jié)果

　　在下列條件下對STGIPQ3H60x (PowerMESH IGBT)和 STIPQ3M60x (超結(jié)MOSFET)進(jìn)行了仿真對比測試：Vbus = 300 V, fsine = 120 Hz, Tamb = 70 °C, 使用一個(gè)開關(guān)頻率8 kHz的內(nèi)置矢量控制算法(FOC)的PWM調(diào)制器，使用一個(gè)12 C/W散熱器。

　　如圖3所示，在這些條件下，仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了功率損耗比較部分分析的電氣特性，突出了在 180 W前超結(jié)MOSFET SLLIMM-nano (STIPQ3M60x)的熱性能優(yōu)異，尤其是在較低負(fù)載時(shí)表現(xiàn)更加優(yōu)異，40W時(shí)總功率損耗降低40%，讓家電設(shè)備可以達(dá)到更高的能效級(jí)別。

圖3: 仿真測試結(jié)果：逆變器功率損耗比較，Tamb = 70°C

　　6 結(jié)論和未來研發(fā)方向

　　在典型工況的低功率壓縮機(jī)應(yīng)用中，PowerMESH IGBT (STGIPQ3H60x)和超結(jié)MOSFET(STIPQ3M60x)的仿真結(jié)果表明，在低負(fù)載下超結(jié)STIPQ3M60x熱性能表現(xiàn)更好，40W時(shí)功率損耗降低18%，使冰箱等家電能夠取得更高的能效等級(jí)。

　　為驗(yàn)證這個(gè)初步測試結(jié)果，我們還將在相同的測試條件下對一個(gè)低功率壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行臺(tái)架測試，使用開關(guān)頻率 8 kHz的內(nèi)置矢量控制算法(FOC)的PWM調(diào)制器。在做這個(gè)測試過程中，提高輸入DC功率(PIn)，同時(shí)觀察封裝溫度，因?yàn)榉庋b溫度是與總功率損耗相關(guān)的熱性能產(chǎn)生的。

　　參考文獻(xiàn)

　　[1] AN4043 - SLLIMM?- nano series small low-loss intelligent molded module

　　[2] AN4840 - SLLIMM?-nano 2nd series small low-loss intelligent molded module

　　[3] C. Parisi, G. Belverde, A. Corsaro, “STMicroelectronics Super-Junction and UltraFAST MOSFET vs IGBT technologies in low power motor drives”, PCIM 2017

　　[4] STGIPQ3H60x datasheet

　　[5] STIPQ3M60x datasheet

　　SLLIMM?, PowerMESH?, UltraFASTmesh?, MDmesh?.本文出現(xiàn)的商標(biāo)均歸各自所有者所有。