高频功率切换损耗低 高速IGBT增强PV变频器效能 过滤器, 太阳能, 变频器, 高频, 成本

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对需要输出过滤器或升压/降压抑制的应用来说，较高的切换频率可为整个系统带来好处，像太阳能变频器就是同时兼具两者的应用。太阳能变频器具有最好的效率及功率密度，同时也承受着高成本压力。高速绝缘闸双极电晶体（High Speed IGBT）已针对高频率硬切换应用最佳化，因此，该零件为太阳能应用中功率模组的理想选择。　　本文将说明650伏特（V）IGBT3、650V IGBT4及650V高速IGBTHS3 IGBT三者应用在功率模组上的差异。结果显示，依据装置设计，650V HS3 IGBT将能提供最理想的效能，用做高效率的切换开关。
　　对阻断电压介于600~1，200V的现代IGBT而言，沟槽场截止（Trench-Field-Stop）技术是最常见的概念。这项技术一方面可让装置执行低导通电压及软切换，另一方面可降低切换损耗并提供高频率应用，类似金属氧化物半导体场效电晶体（MOSFET）的切换效能。
　　沟槽场截止降低IGBT静态损耗
　　搭载这项技术的元件效能主要由晶格尺寸、晶片厚度及掺杂分布等设计参数控制。设计人员透过调整这些参数，便能让元件在漂移区的高载子密度增加。此类元件提供低VCE（sat），降低静态损耗;于关断期间，高载子密度会减慢元件清除速度，增加动态损耗。因此，IGBT除了可用于太阳能变频器或升压器之类需要低动态损耗元件的高频率应用，也适用在需要低静态损耗的低频率应用。
　　具低关闭损耗　HS3 IGBT适合高频应用
　　测量时使用50安培（A）额定集极电流的650V IGBT3、650V IGBT4及650V HS3 IGBT，透过测量切换损耗来决定晶片的电子效能。测量时，将每个晶片整合在具有相同电路及17奈亨（nH）杂散电感的EasyPACK 2B功率模组。由于导通损耗EON主要受使用的飞轮二极体影响，所有晶片在运作时皆使用额定电流IF=30A的650V射极控制二极体。
　　除非另行指定，所有测量均在实验室中依下列条件进行：采用整合式电流探针且杂散电感为L=25nH;直流连结电压设为VDC=400V，符合一般应用电压，晶片以IC=50A的额定集极电流运作;IGBT驱动使用闸射极电压VGE=±15V。所有测量均在Tvj=25℃下执行。
　　晶片的切换运作皆在上述设定下测量，从开通及关断波形中撷取出对应的能源和特性切换参数。
　　图1显示HS3 IGBT、IGBT3及IGBT4在相同切换参数下的切换损耗。于开通及关断时分别达到di/dt=1.5千安培（kA）/微秒（s）和dv/dt=4.5千伏特（kV）/s的条件设定RG。HS3 IGBT具有最低的切换损耗EON及EOFF，且加总的Etotal不及IGBT3的一半。图1中插图显示HS3 IGBT的EON和di/dt与RG的关系，RG升高时，EON升高，而di/dt降低;尤其在RG1kA/s，而较高的RG将使di/dt低于0.5kA/s。

　　图1针对HS3 IGBT、IGBT3和IGBT4，开通时在相同的di/dt下，关断时在相同的dv/dt下，EON、EOFF和Etotal的切换能量比较。上方插图为HS3 IGBT的EON和di/dt与RG的关联。
　　HS3具有低关闭损耗，表示其切换效能优异。因此，HS3 IGBT最适合高频率应用，其藉由权衡EOFF和VCE（sat），可提供低动态损耗。由于HS3 IGBT使用高闸极电阻，使其具有高导通损耗，同时带来极低的di/dt。为补偿此特性，必须大幅降低导通闸极电阻，其中一种可行的实作方式是使用较为精密的闸极驱动设计，让HS3 IGBT可用做非常高效率的切换开关。