优化高电压IGBT设计方案
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2020-08-02
08:05:37
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优化高电压优化高电压IGBT设计方案设计方案
IGBT比其他功率晶体管有更多优点，当中包括更高电流能力，利用电压而非电流来进行栅极控制，以及能够与
一个超快速恢复二极管协同封装来加快关断速度。
随着绿色电力运动势头不减，包括家电、照明和电动工具等应用，以至其他工业用设备都在尽可能地利用太阳能的优点。为了
有效地满足这些产品的需求，电源设计师正通过最少数量的器件、高度可靠性和耐用性，以高效率把太阳能源转换成所需的交
流或者直流电压。
要为这些应用以高效率生产所需的交流输出电压和电流，太阳能逆变器就需要控制、驱动器和输出功率器件的正确组合。要达
到这个目标，在这里展示了一个针对500W功率输出进行优化，并且拥有120V及60Hz频率的单相正弦波的直流到交流逆变器
设计。在这个设计中，有一个DC/DC电压转换器连接到光伏电池板，为这个功率转换器提供200V直流输入。不过在这里没有
提供太阳能电池板的详细资料，因为那方面不是我们讨论的重点。
现在，市场上有不同的高级功率开关，例如金属氧化物半导体FET（MOSFET），双极型三极管（BJT），以及绝绿栅双极晶
体管（IGBT）来转换功率。然而，这个应用要达到最高的转换效率和性能要求，就要选择正确的功率晶体管。
多年来的调查和分析显示，IGBT比其他功率晶体管有更多优点，当中包括更高电流能力，利用电压而非电流来进行栅极控
制，以及能够与一个超快速恢复二极管协同封装来加快关断速度。此外，工艺技术及器件结构的精细改进也使IGBT的开关性
能得到相当的改善。其他优点还包括更好的通态性能，以及拥有高度耐用性和宽安全工作区。在考虑这些质量之后，这种功率
逆变器设计就会选用高电压IGBT，作为功率开关的必然之选。
因为这个设计所实施的逆变器拓扑属于全桥，所以有关的太阳能逆变器采用了4个高电压IGBT，如图1所示。在这个电路
中，Q1和Q2晶体管被指定为高侧IGBT，而Q3和Q4则为低侧功率器件。为了要保持总功率耗损处于低水平，但功率转换则拥
有高效率，设计师要在这个DC/AC逆变器解决方案正确应用低侧和高侧IGBT组合。
图1采用4个IGBT的逆变器设计
沟道和平面IGBT
为了要同时把谐波和功率损耗降到最低，逆变器的高侧IGBT利用了脉宽调制（PWM），同时低侧功率器件就用60Hz进行变
化。通过把PWM频率定在20kHz或以上操作，高侧IGBT有50/60Hz调制，输出电感器L1和L2便可以保持实际可行的较少尺
寸，提供有效的谐波滤波。再者，逆变器的可听声也可以降到最低，因为开关频率已经高于人类的听觉范围。
我们研究过采用不同IGBT组合的各种开关技术后，认定能够实现最低功率耗损和最高逆变器性能的最好组合，是高侧晶体管
利用超高速沟道IGBT，而低侧部分就采用标准速度的平面器件。与快速和标准速度平面器件比较，开关频率在20kHz的超高
速沟道IGBT提供最低的总通态和开关功率损耗组合。高侧晶体管的开关频率为20kHz的另外一个优点，是输出电感器有合理
的小尺寸，同时也容易进行滤波。在低侧方面，我们把标准速度平面IGBT的开关频率定在60Hz，使功率损耗可以保持在最低
的水平。
当我们细看高电压（600V）超高速沟道IGBT的开关性能，便会知道这些器件为20kHz的开关频率进行了优化。这使设计在相
关的频率下能够保持最少的开关损耗，包括集电极到发射极的饱和电压Vce（on）及总开关能量ETS。结果，总通态和开关功
率损耗便可以维持在最低的水平。根据这一点，我们选择了超高速沟道IGBT，例如，IRGB4062DPBF作为高侧功率器件。这
种超高速构道IGBT与一个超高速软恢复二极管采用协同封装，进一步确保低开关耗损。
此外，这些IGBT不用要求短路额定值，因为当逆变器的输出出现短路时，输出电感器L1和L2会限制电流di/dt，从而给予控制
器足够的时间做出适当的回应。还有，与同样尺寸的非短路额定IGBT比较，短路额定IGBT提供更高的Vce（on）和ETS。由
于拥有更高的Vce（on）和ETS，短路额定IGBT会带来更高的功率损耗，使功率逆变器的效率降低。
再者，超高速沟道IGBT也提供方形反向偏压工作区、最高175℃结温，还可承受4倍的额定电流。为了要显示它们的耐用性，
这些功率器件也经过100%钳位电感负载测试。
与高侧不同，通态耗损支配了低侧IGBT。因为低侧晶体管的工作频率只有60Hz，开关损耗对这些器件来说微不足道。标准速
度平面IGBT是特别为低频率和较低通态耗损而设计。所以，随着低侧器件于60Hz进行开关，这些IGBT要通过采用标准速度平
面IGBT来达到的最低功率耗损水平。因为这些器件的开关损耗非常少，标准速度平面IGBT的总耗散并没有受到其开关耗损所
影响。
基于这些考虑，标准速度IGBTIRG4BC20SD因此成为低功率器件的最好选择。一个第四代IGBT与超高速软恢复反向并联二极
管协同封装，并且为最低饱和电压和低工作频率（《1kHz）进行优化。在10A下的典型Vce（on）为1.4V。针对低正向降压及
反向漏电流，跨越低侧IGBT的协同封装二极管已经优化了，以在续流和反向恢复期间把损耗降到最低。
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