600伏沟道型IGBT可将太阳能逆变器散热片温度降低16% IGBT, 太阳能逆变器, 温度, 散热片

gzykdy

针对应用选择最佳的IGBT不仅令人困惑而且耗费时间。本文通过解释需要考虑的折衷来试图简化这一选择过程。为举例说明这种选择方法的好处，本文将讨论针对直流/交流逆变电源应用的新一代600V IGBT可能带来的性能改善。这些新型器件采用场终止沟道(Field Stop Trench)技术来降低高频开关应用，比如不间断电源(UPS)和太阳能逆变电源中的传导损耗和开关损耗，从而实现更高的电源效率。这些器件针对短路耐受能力要求低的20kHz开关操作进行了优化。为验证这一点，国际整流器公司(IR)采用具有类似尺寸的IGBT构建了500W直流/交流逆变电源，并分析两者的性能差异。本文将说明通过采用经过优化的沟道型IGBT可以改善效率，或降低系统散热片的尺寸，或提高相同电路板上的电流密度。
IGBT技术的最新进展使得针对20kHz开关应用的最新一代600V沟道型IGBT得以实现。图1分别为平面型IGBT和沟道型IGBT的横截面示意图。在平面型IGBT中，多晶硅栅极是呈“平面”分布或者相对于p+体区是水平分布的。在沟道型IGBT中，多晶硅栅极是以“沟道方式向下”进入p+体区。这种结构有一个优点，就是可以减小通道对电子流的阻力并消除电流拥挤现象，因为此时电子垂直地在通道中流过。在平面型IGBT中，电子以某种角度进入通道，引起电流拥挤，从而增加电子流的阻力。沟道型IGBT中电子流的增强使Vce(on)大幅度降低。


图1：平面型IGBT和沟道型IGBT的结构。

除降低Vce(on)外，通过将IGBT改成更薄的结构还降低了开关能量。结构越薄则空穴-电子复合速度就越快，这降低了IGBT关断时的拖尾电流。为保持相同的耐击穿电压能力，在沟道型IGBT内构造了一个n场阻止层，以便在IGBT上的电压增大时，阻止电场到达集电极区域。更低的传导能量和开关能量允许逆变电源的尺寸更小，或者相同尺寸逆变电源的功率密度更大。表对具有相似尺寸的平面型IGBT和沟道型IGBT的参数进行了对比。

从表可知，最新的经过优化的沟道型IGBT的Vce(on)和开关能量损耗更低，这预示着逆变电源的效率更高。对这些产品进行的逐步比较充分说明了为设计选择最佳元件的好处。通过比较第2列到第4列，可展示当对短路耐受级别不作要求时低Vce(on)的好处(器件是同代产品)。通过比较第2列到第3列，可展示当NPT器件被用来实现短路耐受级别得以改善的产品时可获得的更大性能提升。通过比较第4列到第5列可说明新的优化型部件如何因更低的热阻抗和更少的栅极电荷量而改善Vce(on)和开关损耗Ets。为实现所有这些改进需要作出折衷。这里不再考虑短路耐受时间，以与目标应用需求保持一致。


平面型IGBT和沟道型IGBT的参数比较。

直流/交流逆变电源的实现

本文讨论的直流/交流逆变电源系统针对只要求50Hz或60Hz纯正弦波输出的系统。正弦波或准正弦波逆变电源不在这里讨论，因为这些逆变电源的实现通常不要求功率器件工作在20kHz开关频率。

典型的要求纯正弦波输出的应用包括UPS、太阳能逆变电源或变频器等。典型的实现方案采用全桥逆变电源，如图2(a)所示。在UPS中，直流总线电压可以取自电池组；在太阳能逆变电源中，直流总线电压取自太阳能电池板；在变频器中，流总线电压取自整流后的交流主电源。经过图2(a)电路中的LC滤波后，逆变电源输出为纯正弦波电压。在这种拓扑中，其中的两个IGBT(Q1和Q2)是高压侧器件，其栅极电压被驱动到比直流总线电压高15V。实现这一目的一种简单办法就是使用带有自举电源的高压栅极驱动器。驱动器IC通常能驱动一对互补型高压侧和低压侧IGBT。因此，只需两个这样的驱动器IC就能实现全桥逆变电源。驱动器芯片的输入信号可来自微控制器或者采用模拟电路来实现。


图2：(a) 全桥直流/交流逆变电源的实现电路；(b) 输出功率为500W的直流/交流逆变电源演示板。

利用这种拓扑，仅需将功率器件Q1~Q4从较老的有额定短路耐受能力的平面型IGBT换为新的经过优化的沟道型IGBT，就有可能将功耗降低多达30%。选择逆变电源的开关频率为20kHz，以防止输出电感L1产生人耳听得见的噪声。在这个拓扑中，当Q4在50Hz或60Hz正半周期期间保持导通状态时，Q1采用20kHz的正弦波脉宽调制，Q2和Q3在此正半周期保持截止状态；当Q3在50Hz或60Hz负半周期期间保持导通状态时，Q2用20kHz的正弦波脉宽调制，Q1和Q4在此负半周期保持截止状态。

输出的波形如图2(a)所示，该图还给出了LC滤波器之前的全桥逆变电源输出臂上的电压。这个电压波形说明IGBT以20kHz频率进行开关操作并以60Hz频率进行能量变换。由此可见，由于功率器件工作在20kHz和60Hz，所以沟道型IGBT所具备的更低传导损耗和开关损耗对降低逆变电源总功耗中是有利的。

图3还显示了在20kHz开关干扰信号被LC滤波器滤除后的开关输出电容上的输出电压。这个输出电压为纯正弦波电压。为满足应用对THD的要求，通常要适当地调节输出电感和电容的值。


图3：逆变电源输出臂和输出电容上的典型电压波形。

直流/交流逆变电源演示板

图2(b)是国际整流器公司开发的旨在比较采用上述讨论方案的最好的平面型IGBT和沟道型IGBT性能的演示板。该演示板在不要求空气冷却的情况下能输出500W功率。演示板的尺寸为3×5英寸，并基于如图2(a)所示的电路。微控制器被用来为驱动IGBT的高压栅极驱动器芯片产生合适的信号。IGBT焊接在演示板的底部，并安装有3×2.5×0.5英寸的散热片。此演示板所提供的500W输出功率对电源电子设备与太阳能电池板集成在一起的分布式电源太阳能逆变电源应用十分理想。图4给出了在500W输出功率下，最好的平面型IGBT与最优化的沟道型IGBT上的散热片温度差别。平面型IGBT演示板的散热片温度与沟道型IGBT演示板的散热片温度分别为101℃、85℃。用沟道型IGBT替代功率器件可使散热片温度降低16%。这给了设计工程师这样一个机会，即仅需更换功率器件就可以提高相同电路板组件的功率密度，或者在保持相同温度的条件下，通过减小散热片尺寸来减小电源电子组件的尺寸。


图4：500W输出功率下沟道型IGBT和平面型IGBT的散热片的温度差别。

本文小结

与早先的IGBT相比，这种新的、经过优化的600V沟道IGBT系列已经被设计用于减少20kHz开关应用的传导损耗和开关损耗。这些IGBT的目标应用是一般用于UPS、太阳能逆变电源和变频器中的直流/交流逆变器。这些应用要求纯正弦波输出电压。IR公司采用全桥拓扑构建了500W直流/交流逆变电源演示板，并通过测量散热片温度差来证明功耗的降低。此试验表明，采用新型、经过优化的沟道型IGBT器件代替功率器件，可使散热片温度降低16%。功耗的降低使IGBT的效率比前一代IGBT器件提高了近30%。