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IGBT應用:優化高電壓IGBT
雙擊自動滾屏 發布者:admin 發布時間:2014-10-20 閱讀:2897

隨著綠色電力運動勢頭不減,包括家電、照明和電動工具等應用,以至其他工業用設備都在盡可能地利用太陽能的優點。為了有效地滿足這些產品的需求,電源設計師正通過最少數量的器件、高度可靠性和耐用性,以高效率把太陽能源轉換成所需的交流或者直流電壓。

要為這些應用以高效率生產所需的交流輸出電壓和電流,太陽能逆變器就需要控製、驅動器和輸出功率器件的正確組合。要達到這個目標,在這裏展示了一個針對500W功率輸出進行優化,並且擁有120V60Hz頻率的單相正弦波的直流到交流逆變器設計。在這個設計中,有一個DC/DC電壓轉換器連接到光伏電池板,為這個功率轉換器提供200V直流輸入。不過在這裏沒有提供太陽能電池板的詳細資料,因為那方麵不是og真人遊戲討論的重點。

現在,市場上有不同的高級功率開關,例如金屬氧化物半導體FET(MOSFET),雙極型三極管(BJT),以及絕綠柵雙極晶體管(IGBT)來轉換功率。然而,這個應用要達到最高的轉換效率和性能要求,就要選擇正確的功率晶體管。

多年來的調查和分析顯示,IGBT比其他功率晶體管有更多優點,當中包括更高電流能力,利用電壓而非電流來進行柵極控製,以及能夠與一個超快速恢複二極管協同封裝來加快關斷速度。此外,工藝技術及器件結構的精細改進也使IGBT的開關性能得到相當的改善。其他優點還包括更好的通態性能,以及擁有高度耐用性和寬安全工作區。在考慮這些質量之後,這種功率逆變器設計就會選用高電壓IGBT,作為功率開關的必然之選。

因為這個設計所實施的逆變器拓撲屬於全橋,所以有關的太陽能逆變器采用了4個高電壓IGBT,如圖1所示。在這個電路中,Q1Q2晶體管被指定為高側IGBT,而Q3Q4則為低側功率器件。為了要保持總功率耗損處於低水平,但功率轉換則擁有高效率,設計師要在這個DC/AC逆變器解決方案正確應用低側和高側IGBT組合。

為了要同時把諧波和功率損耗降到最低,逆變器的高側IGBT利用了脈寬調製(PWM),同時低側功率器件就用60Hz進行變化。通過把PWM頻率定在20kHz或以上操作,高側IGBT50/60Hz調製,輸出電感器L1L2便可以保持實際可行的較少尺寸,提供有效的諧波濾波。再者,逆變器的可聽聲也可以降到最低,因為開關頻率已經高於人類的聽覺範圍。

og真人遊戲研究過采用不同IGBT組合的各種開關技術後,認定能夠實現最低功率耗損和最高逆變器性能的最好組合,是高側晶體管利用超高速溝道IGBT,而低側部分就采用標準速度的平麵器件。與快速和標準速度平麵器件比較,開關頻率在20kHz的超高速溝道IGBT提供最低的總通態和開關功率損耗組合。高側晶體管的開關頻率為20kHz的另外一個優點,是輸出電感器有合理的小尺寸,同時也容易進行濾波。在低側方麵,og真人遊戲把標準速度平麵IGBT的開關頻率定在60Hz,使功率損耗可以保持在最低的水平。

當og真人遊戲細看高電壓(600V)超高速溝道IGBT的開關性能,便會知道這些器件為20kHz的開關頻率進行了優化。這使設計在相關的頻率下能夠保持最少的開關損耗,包括集電極到發射極的飽和電壓Vce(on)及總開關能量ETS。結果,總通態和開關功率損耗便可以維持在最低的水平。根據這一點,og真人遊戲選擇了超高速溝道IGBT,例如,IRGB4062DPBF作為高側功率器件。這種超高速構道IGBT與一個超高速軟恢複二極管采用協同封裝,進一步確保低開關耗損。

此外,這些IGBT不用要求短路額定值,因為當逆變器的輸出出現短路時,輸出電感器L1L2會限製電流di/dt,從而給予控製器足夠的時間做出適當的回應。還有,與同樣尺寸的非短路額定IGBT比較,短路額定IGBT提供更高的Vce(on)ETS。由於擁有更高的Vce(on)ETS,短路額定IGBT會帶來更高的功率損耗,使功率逆變器的效率降低。

再者,超高速溝道IGBT也提供方形反向偏壓工作區、最高175℃結溫,還可承受4倍的額定電流。為了要顯示它們的耐用性,這些功率器件也經過100%鉗位電感負載測試。

與高側不同,通態耗損支配了低側IGBT。因為低側晶體管的工作頻率隻有60Hz,開關損耗對這些器件來說微不足道。標準速度平麵IGBT是特別為低頻率和較低通態耗損而設計。所以,隨著低側器件於60Hz進行開關,這些IGBT要通過采用標準速度平麵IGBT來達到的最低功率耗損水平。因為這些器件的開關損耗非常少,標準速度平麵IGBT的總耗散並沒有受到其開關耗損所影響。

基於這些考慮,標準速度IGBTIRG4BC20SD因此成為低功率器件的最好選擇。一個第四代IGBT與超高速軟恢複反向並聯二極管協同封裝,並且為最低飽和電壓和低工作頻率(<1kHz)進行優化。在10A下的典型Vce(on)1.4V。針對低正向降壓及反向漏電流,跨越低側IGBT的協同封裝二極管已經優化了,以在續流和反向恢複期間把損耗降到最低。

 
 


     

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