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[经验] 用于快速切换应用的高速混合模块 高频逆变器运行期间的功耗可降低约50%

2020-9-2 15:49:13  283 逆变器
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近年来,为了减小尺寸,重量和提高效率,需要在高频区域中使用功率转换系统的应用数量已经大大增加。引领这一趋势的是电动汽车(EV)和混合动力电动汽车(HEV),充电系统以及分布式光伏发电系统等应用。但是,UPS,焊接或医疗系统也将这种想法引入快速开关设备中。为了满足高速和低损耗开关的要求,富士电机开发了将硅绝缘栅双极型晶体管(IGBT)与碳化硅肖特基势垒二极管(SiC-SBD)相结合的高速混合模块。结果,与现有产品相比,高频逆变器运行期间的功耗可降低约50%。

介绍为了减少温室气体CO2的排放以抑制全球变暖,需要提高电力转换系统的效率,尤其是可再生能源的发电。从燃烧汽车向电动汽车的转变还针对更可持续的环境。为了实现这一改变,需要一个紧密联系的充电基础设施网络。这些EV充电系统需要更高的开关频率,以实现整个系统的高度紧凑性和更高的效率。除了电动汽车充电器领域,UPS系统还倾向于在更高的开关频率下运行。图1显示了与功率容量和开关频率有关的目标应用。高速混合模块的一些主要应用是用于可再生能源的功率转换设备,汽车应用和不间断电源系统(UPS)。所有这些都需要在高频下转换功率。

图1:高速混合模块的主要应用
高速混合模块的功能为了实现进一步的改善,半导体器件需要20kHz或更高的开关频率。因此,富士电机开发了可在超过20kHz的开关频率范围内工作的高速,低损耗的IGBT。这些Si-IGBT与SiC-SBD相结合以减少开关损耗,并提供半桥配置。为了保持兼容性,高速混合模块使用与常规Si模块相同的封装,例如62mm标准封装和EconoDual™3。以下各章描述了高速IGBT和SiC-SBD芯片的特性。

高速IGBT关断损耗的改善IGBT利用基于常规IGBT技术的用于高速开关的优化芯片。为了改善用于高速开关的IGBT,需要减少产生的开关损耗。这可以通过改变截止损耗Eoff与集电极发射极饱和电压Vce(sat)之间的权衡来实现。图2显示了实际“ X系列IGBT”(富士电机第7代IGBT)和针对200A / 1200V模块的高速优化IGBT的这些折衷特性的比较。

图2:1200V高速IGBT Vce(sat)-Eoff特性
高速IGBT的关断损耗比第七代传统IGBT低33%,而Vce,sat仍然适合高速应用(1)。这种减少是由于关断期间尾电流的改善。这种改进来自有源芯片结构的寄生电容的大大降低以及集电极层中杂质浓度的降低,这有助于抑制空穴注入(2)。

SiC-SBD在反向恢复和导通损耗方面的改进通过使用SiC-SBD,高速混合模块可以将反向恢复峰值电流降低约60%。SiC-SBD是不带少数载流子注入的单极器件这一事实是实现这种改进的原因。与实际第七代芯片的硅续流二极管相比,反向恢复损耗ERR降低了92%。
除了反向恢复方面的改进外,SiC-SBD的增强特性还导致对置臂中IGBT导通时的增强行为。反向恢复期间减小的电流峰值反映在导通电流的峰值中,该峰值大约降低60%。因此,导通损耗降低了约84%,器件的总开关损耗降低了66%(3)。表1概述了高速混合模块的开关损耗优势。

Eon(兆焦耳)Eoff(兆焦耳)错误(mJ)总损耗
(mJ)

X系列Si模块14.519.214.448.1
高速混合
模块
2.312.81.116.2
减少率84%33%92%66%
表1:开关损耗比较
功率转换系统的贡献图3示出了电抗器体积和功率半导体器件的开关频率之间的依赖性。如果将功率转换系统(PCS)的开关频率从10kHz增加到30kHz,则总电感器体积可以减少约50%。通过应用高速混合模块,由于使无源元件(例如电容器,电感器和变压器)的尺寸最小化,因此可以减小整个单元的尺寸,并可以显着降低成本,因为电容器,电感器和变压器被用于低频工作时的滤波电路

图3:电抗器体积与开关频率的关系
为了给人以印象,高速混合IGBT模块的实施对于逆变器操作意味着什么,在图4中显示了仿真结果。该仿真是在小容量PCS中对200A / 1200V 62mm标准封装进行的。对于20kHz的开关频率,可以实现约50%的总体损耗降低。由于较低的开关损耗,这些优点甚至在较高的开关频率下也会增加,并且将有助于逆变器系统在高频操作下的高效运行和小型化。即使由于较高的Vce而使通态损耗略有增加,但饱和仍显着改善。
当安装在逆变器上时,芯片结点温度如图5所示。比较开关频率为20kHZ时芯片的结点温度,IGBT已经具有约18°C的优势,而在20kHZ时具有19°C的优势。 SBD与X系列Si模块相比。这使PCS可以进一步增加高频期间的输出电流。


图4:逆变器损耗比较
后记可以通过使用高速混合模块实现更高的开关频率来减少电容器,电感器和变压器等滤波电路的大批量和大质量。高速IGBT减少的关断损耗以及SiC-SBD引起的低导通和反向恢复损耗可实现高开关频率操作。这些优势使高速混合模块成为快速切换应用的最佳解决方案,例如EV快速充电器,PV系统,UPS系统,等离子切割机和焊接机。富士电机将继续寻求减少损失的方法,以实现节能和可持续发展的社会。

图5:安装到逆变器时的芯片结温
王栋春 2020-9-2 22:09:07
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王栋春 2020-9-2 22:09:27
为啥看不到图片
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npwjm 2020-9-3 08:46:10
谢谢楼主的分享
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