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半导体 | 高速IGBT和SiC-SBD相结合的高速混合型模块

供稿:FUJI-富士电机(中国)有限公司 2019/11/21 14:37:38

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  • 关键词: 富士电机(中国) IGBT SiC-SBD
  • 摘要:近年来,为进一步实现电力转换装置的小型轻量化和高效化,需要在高频区域进行电力转换的应用日益增多,这就要求开关器件速度更快和损耗更低。

近年来,为进一步实现电力转换装置的小型轻量化和高效化,需要在高频区域进行电力转换的应用日益增多,这就要求开关器件速度更快和损耗更低。富士电机将高频区域下,损耗低的高速IGBT和SiC-SBD相结合,开发了高速混合型模块,实现了开关损耗的大幅降低。其结果,变频器在高频运行时产生的损耗与以往相比可降低约50%,有望用于要求小型轻量化及高效化的应用中。

1.高速混合型模块的概述

图1是功率器件的开关频率和电力容量的应用情况。高速混合型模块的主要应用在于可再生能源设备、车载相关设备、不间断电源装置(UPS:Uninterruptible Power System)等电力转换装置,需要在高频率下进行电力转换。

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图1 高速混合型模块的主要应用

表1是高速混合型模块的外观,表2是高速混合型模块的产品系列。在高速混合型模块中,采用了和以往Si模块相同的封装保持了兼容性,电路结构是高速IGBT和SiC-SBD相结合的2in1电路。IGBT方面以现有的IGBT为基础,采用最适合进行高速开关的芯片,FWD(Free Wheeling Diode)方面采用了SiC-SBD芯片。

表1 高速混合型模块

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表2 高速混合型模块的产品系列

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2.高速混合型模块的特点

为了实现通过高速开关促进装置的小型化与高效化,改善IGBT模块产生的损耗十分重要。模块产生的损耗与IGBT和FWD等半导体芯片的特性存在密切关系。因此,本章将对高速开关用高速IGBT和SiC-SBD芯片的特性进行介绍。

▋2.1 高速IGBT 产生的关断损耗的改善

图2是1200V高速IGBT的集电极、发射极饱和电压VCE(sat)-关断损耗Eoff的均衡特性。高速IGBT的规格是以现有的IGBT为基础,大幅降低寄生容量的活性区和抑制空穴注入的集电极层降低杂质浓度,与第7代“X系列”的IGBT相比,可减少关断损耗,并令VCE(sat)-Eoff均衡特性适应高速开关。

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图2 1200V高速IGBT的VCE(sat)-Eoff特性

图3是额定1200V/200A的高速混合型模块和X系列Si模块的关断波形的比较。高速混合型模块大幅改善了关断时的拖尾电流,与X系列Si模块相比,关段损耗Eoff降低了33%。

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图3 关断波形

▋2.2 SiC-SBD的反向恢复损耗和开通损耗的改善

图4是额定1200V/200A的高速混合型模块和X系列Si模块的反向恢复波形的比较。高速混合型模块的反向恢复电流的峰值减小了约60%。这是由于SiC-SBD是一种单极元件、不存在少数载流子的注入。高速混合型模块的反向恢复损耗Err,和X系列的Si模块相比降低了92%。

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图4 反向恢复波形

另外,FWD中反向恢复电流的峰值,被反映到了对臂侧的IGBT的开通电流峰值中。如减小反向恢复电流的峰值,则开通电流的峰值也会变小,因此可降低开通损耗。图5是额定1200V/200A的高速混合型模块和X系列Si模块的开通波形的比较。和反向恢复波形一样,开通电流峰值减小了约60%,表现出了SiC-SBD的优秀特点。高速混合型模块的开通损耗Eon,和X系列Si模块相比降低了84%。

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图5 开通波形

▋2.3 开关损耗降低效果

表3是高速混合型模块和X系列Si模块的损耗比较表。与X系列Si模块相比,高速IGBT和SiC-SBD相结合的高速混合型模块实现了总损耗大幅降低了66%。

表3 开关损耗比较

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3.高速混合型模块的效果

下面以M276封装的额定1200V/200A的产品为例,对搭载了该模块的分散型小型功率调节器(PCS:Power Conditioning System)的变频器损耗和芯片结合温度进行介绍。

图6是变频器损耗的仿真结果。在开关频率达20kHz以上的高频领域内,在搭载了高速混合型模块的变频器产生的损耗中,IGBT的导通损耗Psat由于VCE(sat)较高,与搭载了X系列Si模块时相比有少许增加,但开关损耗大幅降低。

最终结果,总损耗可降低50%。另外,提高开关频率后总损耗降低的比率增高,有助于通过变频器的高频运行实现高效运转及小型化。

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图6 基于仿真的变频器损耗的比较

图7是搭载于变频器时的芯片接合温度。在开关频率为20kHz时,高速混合型模块的芯片接合温度与搭载X系列Si模块时相比,IGBT约低18℃,FWD约低19℃,因此变频器高频运行时可增大输出电流。

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图7 搭载变频器时的芯片接合温度

4.对电力转换装置的帮助

图8是电感器体积和开关频率的依存性。当开关频率达到30kHz的高频率时,与10kHz时相比,电感器体积可减小约50%。通过高速开关使电感器等被动型元器件小型化,可实现装置整体的小型化,有望降低成本。

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图8 电感器体积和开关频率的依存性

图9是PCS中使用高速混合型模块的应用实例,图10是UPS中使用高速混合模块的应用实例。分布式太阳能发电的普及要求PCS的小型轻量化。而在服务器与数据中心,为了保证高可靠性,需要并联冗余式UPS。在并联冗余构成方式中,由于使用了多个UPS,要求装置的小型化。通过搭载高速混合型模块,体积与重量都很大的电感器或电容器等滤波电路,在高频率下实现了小型化,因此可帮助实现装置的小型轻量化。此外,由于高频领域下的损耗低,有望实现电力转换效率的提升。

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图9 使用高速混合型模块的PCS的电源结构

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图10 使用高速混合型模块的UPS的电源结构

图11是将高速混合型模块用于焊接机所使用的电力转换装置的应用实例。在焊接机、等离子切割机、感应加热(IH)等高频绝缘方式的电子转换装置中,为了将变压器部分小型化,需要高速开关。在这些应用中为了实现高速开关的低损耗及低干扰,采用了谐振电路方式。该电路方式以20kHz以上的高速开关驱动,因此通过使用高速混合型模块,可实现电力转换装置的小型化、高效化。

另外,在具有小型轻量化及高效化要求的X光等的医疗器械电源、EV的快速充电器,以及燃气轮机等场景的应用也令人期待。

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图11 使用高速混合型模块的焊接机的电源结构

以上对高速IGBT和SiC-SBD相结合的高速混合型模块进行介绍。通过使用高速IGBT和SiC-SBD降低开通损耗,从而实现了高频运行下的损耗降低。

以高频率进行电力转换的应用不断增多,富士电机今后将进一步推动低损耗化,开发迎合市场需求的产品,对节能事业做出贡献。

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审核编辑(王静)
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