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高效率大功率T型三電平IGBT方案

QjeK_yflgybdt ? 來源:英飛凌工業半導體 ? 作者:英飛凌工業半導體 ? 2020-09-23 14:12 ? 次閱讀

日前,英飛凌在歐洲PCIM上介紹了PrimePack+封裝的全新產品,該產品基于最新的IGBT7芯片技術,大幅提高了額定電流能力,并定義了全新的2300V芯片電壓,適用于1500Vdc系統。通過不同的拓撲結構和電壓等級組合,有望成為下一代最佳性價比的MW級大功率T型三電平解決方案。

高效率、高可靠性——

大功率T型三電平IGBT方案

當前光伏/儲能/風電等應用中,單機功率需求越來越大;同時基于整機效率和電網友好考慮,三電平變換器也在逐漸成為新的主流方案。與此同時,在IGBT模塊開發時卻常常面臨一個棘手問題,如何通過最小化的產品型號滿足不同電壓等級和功率等級的需求。

如今,我們找到了最佳的方式:將T型三電平拆分為兩個標準模塊單元,內管為共集電極對管模塊,外管為半橋結構的標準模塊。選用不同電壓的外管即可覆蓋大多數的應用需求,且保持封裝結構的一致性,如下圖所示:

T型三電平方案示意圖(左:橫管,右:豎管)

大功率應用采用T型三電平的優勢

1.導通損耗更低,整體效率更高

IGBT芯片或二極管芯片的輸出特性存在一個“knee voltage”,因此兩個低壓芯片的串聯阻抗要大于單個高壓芯片。從而T型三電平(NPC2)的導通損耗較I型三電平(NPC1)低,尤其在在1.5kHz~4kHz開關頻率下,整體效率優勢明顯。

2.單一換流回路,方便調試優化

二極管鉗位三電平(NPC1)換流路徑因功率因數而改變,長換流路徑雜感較大,對IGBT關斷和二極管反向恢復都是很大挑戰。T型三電平(NPC2)只有單一換流回路,易于優化布局設計,改善開關波形,擴大安全工作區。

3.簡化開關時序,及時故障保護

二極管鉗位三電平(NPC1)需要嚴格遵守開通時“先內后外”,和關斷時(含故障保護)“先外后內”,否則內管極易因承受整個母線電壓而過壓損壞。T型三電平(NPC2)無這些顧慮,可以放心開關操作且內管也可使用短路保護功能。

4.省去均壓電阻,簡化外圍電路

I型三電平(NPC1)在負載電流續流階段,存在兩個器件(T1/T2 或T3/T4)工作在串聯模式,其靜態分壓由漏電流決定。而漏電流受內外管結溫的影響。為消除此影響需要在內管額外并聯電阻來強制分壓,其損耗可高達10W以上。T型三電平(NPC2)不需要此分壓電阻,可以簡化外圍電路,節省物料成本。

5.損耗均勻,芯片面積利用最大化

三電平拓撲受工作模式的影響,芯片損耗分布不均而導致芯片整體有效利用率不高。T型三電平(NPC2)多象限運行時換流路徑相對固定,因此芯片利用率高于I型三電平(NPC1)。

6.功率端子并聯,降低封裝內寄生電阻損耗,并提高載流能力

大功率應用中,IGBT器件封裝的內阻不可忽略。例如1000A有效值電流,在0.5mΩ的封裝內阻上可產生數百瓦的損耗。此損耗不僅影響整機效率,也會導致銅排溫升過高影響使用。T型三電平方案(NPC2)采用IGBT模塊并聯組合方式,整體內阻可降至I型三電平方案(NPC1)的1/4,可降低寄生電阻損耗并提高載流能力。

典型組合方案

**來源于行業應用經驗;若長期在高母線電壓下工作,還需考慮宇宙射線引起的失效率問題。

Q&A

Q1

多個模塊拼裝的方式,會不會導致整體換流回路過長、雜感過大?

A1:PrimePack是低雜感封裝結構,內部采用了銅排疊層方式連接各個DCB,芯片均勻分布。當組成T型三電平時,仍構成較小的回路面積,其換流路徑雜散電感可實現30nH以內。需要注意的是:PrimePack組合方式芯片分布均勻,動靜態均流較獨立三電平封裝更佳,利于提高大電流系統的魯棒性。

Q2

如果要添加snubber吸收電路的話,該如何放置?

A2:Snubber吸收電容可進一步降低換流回路雜感,抑制震蕩和減小尖峰,有利于擴充芯片安全工作區(在更高的直流電壓下開關)。一般有兩種方式,可根據實際應用來選擇,如下圖所示(方式1-用來降低換流雜感,方式2-重點保護外管過壓):

Q3

在1000V系統中,內管使用1200V的芯片,效率方面是否比650V或750V芯片低?

A3:從半導體特性上看,高壓芯片的確要比低壓芯片導通壓降略高。但基于第七代芯片技術的設計對此進行了優化,其IGBT/Diode芯片導通壓降只有1.3V/1.6V,已經優于前代的650V/750V芯片,因此同一款器件可以適用于不同電壓等級的方案中。

原文標題:高效率、高可靠性——大功率T型三電平IGBT方案

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