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用于逆变器应用的耐用型650v沟道IGBT

发布日期:2017-11-08  浏览次数:406
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   摘要:介绍新的650v场截止沟道IGBT并评估了其性能。新的igbt比上一代igbt提供更好的dc和ac特性、更长的短路耐受时间以及更低的漏电流。经过所有这些改进,新场截止沟道igbt可实现高效和可靠的逆变器系统。

  关键字:igbt,功率器件,电机驱动器,ups,逆变器

  绝缘栅极双极性晶体管(igbt)是具有高输入阻抗和大双极性电流能力的少数载流子功率器件。由于这些特性,igbt非常适合电力电子中的许多应用,尤其是电机驱动器、不间断电源(ups)、可再生能源、电焊机、感应加热炉具和其他需要高电流和高电压能力的逆变器应用。短路耐受能力也是igbt用于逆变器应用的一项重要功能。

  在逆变器驱动ups或电机应用中,igbt如果在故障电机、输出短路或输入总线电压直通情形中导通,可能会损坏。在这些条件下,经过igbt的电流快速增加直至饱和。在故障检测和保护功能激活前,igbt将承受电压力。从拓扑上看,三级中点箝位拓扑越来越普遍,甚至可应用到中低功率逆变器,因为更好的输出电压性能可减小滤波器尺寸并降低成本,同时在不过分牺牲开关损耗的情况下增加开关频率。在这种情况下,650v击穿电压为满足应用要求提供了极大的帮助。由于无法在三级npc拓扑中完美平衡直流母线电压,较高的阻断电压对此拓扑极其重要。开发650v igbt时,将开关和传导损耗保持在与600v igbt相同水平至关重要。通常较高的击穿电压会造成vce(sat)增加,并导致逆变器应用中的性能降低。

  同时,vce(sat)和开关性能存在权衡取舍。这意味着补偿因较高电压设计导致的vce(sat)增加可能会减慢开关性能,增加系统中的开关损耗。因此,在选择曲线中找到最佳设计点对开发650v igbt至关重要。新的场截止沟道igbt正是为满足这些要求而开发的。它具有650v击穿电压、极低的vce(sat)和短路耐受能力。新igbt的性能已通过系统级评估验证。

  场截止沟道技术

  场截止沟道技术利用沟道栅结构和高度掺杂n+缓冲层获得沟道穿通特性。借助这些功能,此新的igbt技术实现了比上一代技术更高的单元密度。因此,在给定硅面积下它具有低得多的通态压降。新场截止沟道igbt的电流密度是之前场截止平面技术的两倍以上。图1显示fgh75t65upd、新的75a/650v场截止沟道igbt和fgh75n60uf、75a/600v上一代场截止平面igbt的权衡特性。fgh75t65upd在25℃、75a时实现1.65v的vce(sat),而fgh75n60uf在相同条件下提供1.9v。考虑到击穿电压增加到650v和活动面积减小,此特性有显著改进,因为较高的阻断电压和较小的尺寸导致vce(sat)增加。此低vce(sat)是新场截止沟道igbt的主要优势。场截止沟道技术还减少了每转换周期的关断能耗,如图1所示。此增强的权衡特性使逆变器设计能够满足较高系统效率的市场需求。尽管硅面积减小,新场截止沟道igbt在因热失控出现故障之前提供5us短路耐受时间,这是上一代igbt无法提供的。新场截止沟道igbt也有较低的关断状态漏电流,最大结温为175℃。

 

  图1 权衡特性

  对比评估结果

  新场截止沟道igbt通过同样利用类似场截止技术的竞争设备来评估。在tj=25℃、ic=80a、vce=400v、vge=15v和rg=5ohm的开关测试中,fgh75t65upd显示183uj的关断损耗。额定值为75a/600v的竞争产品igbt的开关损耗为231uj。评估相同封装的二极管的反向恢复特性。测试条件为if=40a,tj=125℃,vr=400v,di/dt=500a/us。新场截止沟道igbt的qrr为1.17uc,比竞争产品igbt的3.98uc小很多。这个小qrr值可在桥拓扑的情况下减小桥臂中igbt的开通损耗。开关性能通过商业5.5kw额定值光伏并网逆变器来验证,该逆变器具有前端升压级和双极性控制全桥逆变级。两级的开关频率均为19khz。升压级保持原始设计不变,fgh75t65upd和竞争产品igbt应用于全桥逆变级。图2显示fgh75t65upd和竞争产品igbt的效率测试结果。fgh75t65upd的euro和cec加权效率为94.37%和95.08%,竞争产品igbt的分别为93.67%和94.37%。新场截止沟道igbt具有卓越的开关性能,因此效率更高。

 

  图2 pv逆变器效率

  图3显示额定值为50a的新场截止沟道igbt、fgh50t65upd及其竞争产品的另一权衡取舍。fgh50t65upd显示10a和20a的权衡取舍,这是多数应用中的实用工作电流水平。基于这些特性,估计系统中的功率损耗。目标系统是3kw额定混合频率全桥逆变器。两个低端igbt在线路频率下切换,两个高端igbt在17khz切换。估计的功率损耗在图4中总结。要验证功率损耗估计值,使用两个igbt评估系统效率;fgh50t65upd和竞争产品3 igbt(与fgh50t65upd具有类似的功率损耗)。图5显示3kw逆变器系统的测量效率。竞争产品3 igbt在全负载时接近fgh50t65upd。这与估计值相匹配。此外,效率差距随着负载的减小而变大。这也与图3相符,图3中显示当电流水平较低时fgh50t65upd的性能优于竞争产品。

 

  图3 pv逆变器效率

 

  图4 功率损耗估计

 

  图5 混合频率全桥逆变器效率

  结论

  上文已介绍新的650v场截止沟道igbt并评估了其性能。新的igbt比上一代igbt提供更好的dc和ac特性、更长的短路耐受时间以及更低的漏电流。经过所有这些改进,新场截止沟道igbt可实现高效和可靠的逆变器系统。


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