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1200V TRENCHSTOP? IGBT7 H7單管性能分析及其在T型三電平拓撲中的應用

英飛凌工業半導體 ? 2023-05-31 16:51 ? 次閱讀

/ 引言 /

英飛凌TRENCHSTOP IGBT7系列單管具有兩種電壓等級(650V&1200V)和三個系列(T7,S7,H7)。其中,H7系列單管針對光儲、UPS、EV charger、焊機等應用進行了專門的優化,并配備了全電流EC7 rapid二極管。憑借極低的開關損耗、導通損耗和豐富的產品系列,H7單管正在成為光伏和儲能應用的新星。

產品特點

按照應用需求去定義產品,去掉短路能力從而獲得更低的開關損耗和導通損耗,如圖1所示。完美適配于不需要短路能力的光儲等應用。

1200V H7系列有四種封裝,電流規格覆蓋40A-140A。其中140A的電流規格為市場首發,如圖2所示。而英飛凌上一代1200V 高速單管HIGHSPEED3 H3的最大電流規格僅為75A。

1200V H7全系列配置全電流規格的EC7 Rapid二極管,適配整流工況。

更強的防潮和抗宇宙射線能力。

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圖1 英飛凌不同1200V單管的開關損耗和導通損耗對比

產品系列

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圖2 1200V H7單管產品系列

標注:TO247-4pin assymetric為開爾文引腳、柵極引腳變細的TO247-4封裝,有助于避免連錫、加強絕緣性能。

TRENCHSTOP IGBT7 H7

與HIGHSPEED H3對比

1200V HIGHSPEED3 H3 IGBT針對高頻應用進行了優化,具有很短的拖尾電流和很小的關斷損耗;因為采用了TRENCHSTOP技術,其導通損耗也很低。因此,H3單管廣泛應用于光伏、儲能、UPS等領域。而1200V H7單管更近一步,表現出更優越的性能。

下圖為IKW40N120H3和IKW40N120CH7的在相同條件下的雙脈沖測試結果:

測試電壓:600V

測試電流:20A

測試溫度:室溫25°C

柵極電阻:10Ω

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圖3 H3開通波形 @600V,20A,25°C

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圖4 H7開通波形 @600V,20A,25°C

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圖5 H3關斷波形 @600V,20A,25°C

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圖6 H7關斷波形 @600V,20A,25°

左右滑動查看更多

分析雙脈沖結果可見,H7系列單管具有更快的開關速度,而且其開通損耗比H3降低22.4%,關斷損耗降低了34.5%,且具有更短的拖尾電流。另外,規格書顯示,IKW40N120H7的Vce(sat)比IKW40N120CH3低25.9%。

由雙脈沖結果可知,1200V H7單管適用于光儲中的Boost、T型三電平、DCDC等高開關頻率拓撲。下面以T型三電平為例,通過PLECS軟件和英飛凌官網提供的PLECS模型進行仿真

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圖7 仿真拓撲:T型三電平

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工況:20kW、10%過載、Vout=380V、PF=1、fsw=18kHz、風冷

在相同工況下,H7單管的導通損耗略低于H3,開關損耗降低接近一半,較低的總損耗會使得散熱器的溫度降低。但H7芯片的面積比H3小,導致的較大熱阻不利于結溫的降低,盡管如此,H7單管的結溫仍然比H3單管低13.8°C。也就是說,可以用H7單管代替之前設計中的同電流規格H3單管,并獲得更高的結溫裕量。

隨著1200V H7單管電流規格的增大,其芯片面積增大,熱阻降低,帶來更好的性能。下面使用75A規格的IKQ75N120CH7與100A規格的IKQ100N120CH7分別應用于30kW和40kW的T型三電平拓撲進行仿真。

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工況:30kW、10%過載、380V輸出、PF=1、fsw=18kHz、風冷

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工況:40kW、10%過載、Vout=380V輸出、PF=1、fsw=16kHz、風冷

可見,可以通過單顆大電流單管進行更高功率逆變器的設計,但是需要合理的散熱來解決單顆TO247PLUS封裝上高達80W的功耗。值得一提的是:對大電流的單管,降低其Rth(c-h)將獲得更大的收益。因為大電流單管的Rth(c-h)占有更大比例。

1200V H7單管在光伏和儲能系統中的應用

1200V H7系列單管完美適用于T型三電平的豎管。通常情況下,T型三電平的直流母線在700-850V之間,豎管需要選用1200V耐壓的IGBT;逆變器開關頻率通常較高,同時其工作原理決定了開關損耗占比較大,所以豎管需要具有低的開關損耗;光伏逆變器要求支持±0.8的功率因數,儲能逆變器要求達到-1的功率因數,1200V H7系列單管配置的全電流規格EC7 Rapid二極管可以處理這種整流工況。為了增大IGBT出電流能力,50A至140A的1200V H7單管提供TO247PLUS封裝,在裝載更大面積芯片的同時提供了比TO247封裝具有更大的散熱焊盤。

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圖8 TO247-3 VS TO247PLUS-3

當下,光伏逆變器降本壓力增大,越來越多的光伏逆變器企業開始嘗試100kW及以上逆變器的大電流單管并聯解決方案。目前,英飛凌1200V H7單管的100A、120A、140A規格是其豎管的最優解決方案。通過仿真和熱測試的評估發現,兩并聯或三并聯方案配合良好的散熱設計,1200V H7系列單管可以輕松實現100kW+的逆變器。

值得一提的是,對TO247PLUS-4封裝的單管,由于開爾文射極的存在,驅動回路電感減小,開關速度增快;同芯片技術、同電流規格時,其開關損耗比TO247PLUS-3降低20%。這對光伏逆變器廠家沖擊更高功率規格的逆變器提供巨大幫助。但增快的開關速度會增大IGBT的關斷電壓尖峰,需要注意功率回路雜感的優化。

總結

?英飛凌1200V TRENCHSTOP7 IGBT7 H7系列單管具有多種電流規格、豐富的封裝形式、極低的開關損耗、導通損耗,是光儲應用中的優選型號。

?相較于英飛凌上一代1200V H3單管,H7單管具有更好的表現,同電流規格的單管可以實現更大功率的機型。

?多顆大電流H7單管并聯可以實現100kW及以上逆變器。

?大電流單管應用中降低Rth(c-h)會獲得更大收益。

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