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工业应用中的先进IGBT技术实现高性能

作者:海飞乐技术 时间:2019-07-17 17:19

  为了最大化用户价值,采用针对特定应用的IGBT是个解决方案。某些IGBT针对电机驱动器进行了优化,有些针对感应加热,还有些针对等离子显示器进行了优化。开关损耗与传导损耗以及短路要求进行平衡。快速进步的IGBT技术使得工业应用中IGBT的选择成为一个复杂的重复过程,需要评估很多不能简化为一个指标(如导通电阻)的参数。
 
  同时,新的IGBT技术进步有助于实现更好的平衡。一个实例是较低的Vce(sat)和较少的Eoff,会带来更佳的系统效率。另一个实例是支持通过更小的芯片实现相同的Vce(sat),从而为市场带来更能节省成本的选择。工业应用的设计标准得益于不断改进的IGBT技术。

使用更小芯片和更佳参数的先进IGBT 
图1: 使用更小芯片和更佳参数的先进IGBT
 
1. 工业应用拓扑中的IGBT权衡
  随着焊接机、UPS和太阳能逆变器市场的不断扩张,IGBT技术开发不断升级,很多创新拓扑被采用。例如,对于三相USP而言,三电平拓扑越来越多地应用于低于50kVA的情况。相对于传统的全桥式拓扑而言,混合频率控制也广泛应用于单极性和双极性控制市场上。
  另一方面,在采用相同的IGBT技术时存在Vce(at)与Eoff之间的平衡。重要的是在不同的设计场景中选择合适的IGBT。不同拓扑的要求如下列图和表所示。
全桥和2-开关正向转换器 
 
传统和双通道型CCM PFC 
 
半桥和全桥逆变器 
 
三电平NPC(中点钳位式)和TNPC(T型中点钳位式) 
 
2. 结温
  计算所得的IGBT温度不能超过Tjmax。否则,开关损耗和传导损耗会使得IGBT硅半导体升温超过结温( Tjmax),并且会导致性能故障、击穿,甚至出现最坏的情况,即火灾。
 
  当硅被升温到临界(固有)温度时,就会发生自持的“热逃逸”。电子-空穴对的生产导致耗尽区开始崩塌,无法再支持反向偏压。崩場点可能会聚集所有电流,导致该点的器件融化。因此,电流浓度能够说明通常产生单点熔毁的原因。
 
  随着温度从150度上升到175度(图6),采用场截止技术的IGBT维持相对不变的静态和动态损耗。因此,场截止IGBT的最大Tj就会被提高。
175度时的FS IGBT性能 
图6: 175度时的FS IGBT性能
 
  最大Tj的提高意味着可以通过下列热平衡方程式改善最大功率耗散。说明较高的Tj确保系统具有更好的工作可靠性。
Tjmax-Tc=Ptotal·Rthjc=(Pcond+Pswitching)·Rthjc
 
3. 系统效率和EMC温度
  系统效率和EMC(环氧树脂模塑料)温度在真实应用中都很重要。在相同的IGBT技术中,较低的Vce(sat)和较少的Eoff就意味着更佳的效率和热性能。但如果采用不同的IGBT技术,结果就会不同。如上文所述,场截止IGBT的结构和较小芯片能够产生较低的Vce(sat)和较少的Eoff还说明场截止IGBT的Rthjc是不同的。因此,EMC温度可能会更高。下面是一个实例。
  系统效率和EMC温度都是先进IGBT技术的重要设计标准。
3kW单极性全桥逆变器的效率 
 
4. SCWT(短路耐受时间)
  当在电源电路中采用IGBT结构来调节传输到各种负载(如电机绕组)的能量时,负载两端的直流电源可能形成短路(如图1所示)。直流电源直连到IGBT结构的集电极,而萁柵极却仍然偏置。理想情况是在器件经历破坏性故障前,使用IGBT控制电路的反馈检测短路状况并关断IGBT。IGBT结构能够在较短时间内耐受高电流和高电压的能力称为SCWT(短路耐受时间)。
 
  UPS、焊接机或开关电源中不需要SCWT。原因是电感器或变压器位于电流路径中,由于如图1所示的电感,器件电流中不存在突然或尖锐的增加。
 
  不管是焊接机、UPS还是太阳能逆变器设计,针对特定应用的器件都需要使用现在的先进IGBT技术,以实现最佳性能和平衡状态。
电机和UPS逆变器应用中的短路 
图8: 电机和UPS逆变器应用中的短路



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