圖騰柱無橋PFC中混合碳化硅分立器件(Hybrid IGBT)的應(yīng)用

 

現(xiàn)代尖端電力電子設(shè)備性能升級需要提升系統(tǒng)功率密度、使用更高的主開關(guān)頻率。而現(xiàn)有硅基IGBT配合硅基FRD性能已無法完全滿足要求，需要高性能與性價比兼具的主開關(guān)器件。為此，基本半導(dǎo)體推出的混合碳化硅分立器件（Hybrid SiC Discrete Devices）將新型場截止IGBT技術(shù)和碳化硅肖特基二極管技術(shù)相結(jié)合，為硬開關(guān)拓撲打造了一個兼顧品質(zhì)和性價比的完美方案。

 

該器件將傳統(tǒng)的硅基IGBT和碳化硅肖特基二極管合封，在部分應(yīng)用中可以替代傳統(tǒng)的IGBT （硅基IGBT與硅基快恢復(fù)二極管合封），使得IGBT的開關(guān)損耗大幅降低。這款混合碳化硅分立器件的性能介于超結(jié)MOSFET和高性能的碳化硅 MOSFET之間，在某些場合性價比更優(yōu)于超結(jié)MOSFET和碳化硅MOSFET，可幫助客戶在性能和成本之間取得更好的平衡，具有重要的應(yīng)用價值，特別適用于對功率密度提升有需求，同時更強調(diào)性價比的電源應(yīng)用領(lǐng)域，如車載電源充電機（OBC）、通信電源、高頻DC-DC電源轉(zhuǎn)換器、UPS等。

 

PFC技術(shù)趨勢

在電源研發(fā)領(lǐng)域，尤其是在汽車OBC和通信電源應(yīng)用領(lǐng)域，由于PFC拓撲的設(shè)計可直接影響到電力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)效率的高低，使得這一關(guān)鍵因素在近年來變得愈發(fā)重要。為進一步提高電源的工作效率，科研人員和工程師們已經(jīng)研究出多種不同的PFC拓撲結(jié)構(gòu)，如傳統(tǒng)的PFC拓撲、普通無橋PFC、雙升壓無橋PFC，圖騰柱無橋PFC等，并已成功大范圍應(yīng)用在設(shè)計過程中。

 

表1  對比四種常見的PFC拓撲電路

 

對比上述四種常見的PFC拓撲結(jié)構(gòu)，圖騰柱無橋PFC拓撲的器件用量僅為6，同時還具有導(dǎo)通損耗、效率等優(yōu)點，因此在車載OBC及通信電源等高效應(yīng)用方面已有量產(chǎn)項目采用圖騰柱無橋PFC取代傳統(tǒng)的PFC或交錯并聯(lián)PFC。

因此本文除闡述圖騰柱無橋PFC的優(yōu)勢和工作原理之外，將重點介紹圖騰柱無橋PFC的功率半導(dǎo)體器件選型，并給出性能和成本平衡的混合碳化硅分立器件解決方案。

 

02 圖騰柱無橋PFC拓撲分析

 

正半周期，T2開通，電感儲能 

正半周期，T2關(guān)斷，電感釋能

 

在正半周期（VAC>0）的時候，T2為主開關(guān)管。

當T2開通時，電感L儲能，電流回路如圖5所示；

當T2關(guān)斷時，T1的反并聯(lián)二極管D1開通，電感L釋放能量，電流回路如圖6所示；

 

負半周期，T1開通，電感儲能

負半周期，T1關(guān)斷，電感釋能

 

在負半周期（VAC＜0）的時候，T1為主開關(guān)管。

 

當T1開通時，電感L儲能，電流回路如圖7所示；

 

當T1關(guān)斷時，T2的反并聯(lián)二極管D2開通，電感L釋放能量，電流回路如圖8所示；

 

03

圖騰柱無橋PFC功率器件選型

 

基于上述第2點的圖騰柱無橋PFC拓撲及其原理分析，上圖中D3和D4各自工作在交流輸入的工頻正半周期和負半周期，導(dǎo)通時間較長，因此建議選擇低速和低導(dǎo)通壓降的硅整流二極管。為進一步提高效率，可以考慮用硅 MOSFET替代（同步整流模式），從而降低整流回路的導(dǎo)通損耗。

如果圖騰柱無橋PFC工作處于電流斷續(xù)模式（DCM）或臨界導(dǎo)通模式（CrM）時，T1和T2可以選擇純硅 IGBT （IGBT+FRD）或者超結(jié)MOSFET作為主開關(guān)管。但是如果圖騰柱無橋PFC工作處于電流連續(xù)導(dǎo)通模式（CCM）時，T1和T2如果仍選擇純硅 IGBT （IGBT+FRD）或者超結(jié)MOSFET作為主開關(guān)管的話，由于IGBT上反并聯(lián)的二極管及超結(jié)MOSFET自身的體二極管都是雙極型二極管，在關(guān)斷時會產(chǎn)生反向恢復(fù)電流Irr，會明顯增大對管開關(guān)管的開通損耗，降低整個系統(tǒng)的效率。

可見，在圖騰柱無橋PFC中，現(xiàn)有硅基IGBT配合硅基FRD或超結(jié)MOSFET作為主開關(guān)管的傳統(tǒng)IGBT解決方案已很難再進一步提升電源效率。針對上述情況，解決方案有以下兩種。

 

方案一：將IGBT單管上反并聯(lián)的快速恢復(fù)二極管換成基本半導(dǎo)體的“零反向恢復(fù)”的碳化硅肖特基二極管（碳化硅 SBD），這種組合起來封裝的器件，稱之為混合碳化硅分立器件（Hybrid SiC Discrete Devices）?；景雽?dǎo)體的碳化硅肖特基二極管采用的主要是碳化硅 JBS工藝技術(shù)，與硅 FRD對比的主要優(yōu)點有：

 二極管反向恢復(fù)電流Irr和開關(guān)管T2開關(guān)波形

 

（1）碳化硅肖特基二極管具有“零反向恢復(fù)” 的特點，可以顯著減少開關(guān)管的開通損耗;

（2）“零反向恢復(fù)”意味著反向恢復(fù)電流跟雜散電感產(chǎn)生的諧振幾乎為零，可顯著改善系統(tǒng)EMI;

 

（3）碳化硅肖特基二極管 的QC更小，PFC開關(guān)頻率提升時，使用碳化硅肖特基二極管可以顯著提升整機效率。

方案二：主開關(guān)管選擇的碳化硅MOSFET器件，碳化硅MOSFET相對于IGBT或超結(jié)MOSFET有更低的開關(guān)損耗。碳化硅MOSFET的體二極管雖然也存在反向恢復(fù)行為，但是其反向恢復(fù)電流相對IGBT或超結(jié)MOSFET要小很多。因此，當開關(guān)頻率提高時，碳化硅MOSFET的優(yōu)勢將更為明顯，系統(tǒng)的效率也會更高。當客戶選擇碳化硅MOSFET為主開關(guān)管后，通常也會愿意多花額外的成本將工頻整流二極管D3和D4換成普通的低導(dǎo)通電阻（Rdson）的硅-MOSFET [B1] ，降低整流器件的導(dǎo)通損耗。

 

 圖騰柱無橋PFC 碳化硅 MOSFET (T1和T2) + 硅 MOSFET (T3和T4) 方案

 

 方案二的效率是的，相對地，客戶端付出的成本也是的。

綜合上述各個方案的特點和分析，為滿足不同的市場需求，基本半導(dǎo)體為圖騰柱無橋PFC這一硬開關(guān)拓撲設(shè)計了能同時兼顧效率與性價比的混合碳化硅分立器件，同時也提供了更高效率的全碳化硅 MOSFET方案。

 

這里采用雙脈沖測試方法對圖騰柱無橋PFC中混合碳化硅分立器件和純硅 IGBT進行對比測試，以評估續(xù)流二極管（硅快恢復(fù)二極管或碳化硅肖特基二極管）對主開關(guān)管損耗的影響，并同時檢測續(xù)流二極管的恢復(fù)行為。

 

測試原理圖

 

測試對象：

BG50N065HF（BASiC, IGBT+FRD），BGH50N065HF（BASiC, IGBT+碳化硅肖特基二極管）

測試條件：

 

Vbus=400V, Rgon=Rgoff=10Ω, VGE=15V/0V, L=200uH 

傳統(tǒng)IGBT及混合碳化硅分立器件開關(guān)損耗參數(shù)對比

 

如圖12所示，碳化硅肖特基二極管對IGBT的損耗和二極管反向恢復(fù)損耗的影響非常大。使用碳化硅肖特基二極管后，可以顯著降低IGBT的開通損耗和總損耗，基本半導(dǎo)體碳化硅混合分立器件的開通損耗相對于Si IGBT降低55%，總損耗降低33%。

另外，混合碳化硅分立器件的反并聯(lián)二極管由于其碳化硅肖特基二極管特性，基本上不存在反向恢復(fù)電流和反向恢復(fù)損耗。相對傳統(tǒng)IGBT方案，在高頻和效率提升上，混合碳化硅分立器件的技術(shù)優(yōu)勢更加明顯。

 

 傳統(tǒng)IGBT及混合碳化硅分立器件反并聯(lián)二極管的特性參數(shù)對比

混合碳化硅分立器件的反向恢復(fù)時間Trr，反向恢復(fù)電流Irr和反向恢復(fù)損耗Err明顯降低。

 

05總結(jié)

基本半導(dǎo)體主要推出了650V 50A和650V 75A的混合碳化硅分立器件，并同時推出了TO-247-3和TO-247-4封裝（如上圖），使得客戶在不需要更改電源電路和PCB的基礎(chǔ)上，直接進行Pin To Pin替換驗證測試及使用，在同樣的設(shè)計系統(tǒng)中，客戶可以在最短時間內(nèi)提升整機效率，降低散熱器設(shè)計要求和成本?？蛻粢部梢蕴岣咧鏖_關(guān)管的開關(guān)頻率，選擇體積更小的電感進行設(shè)計，以此減少電流諧波對電網(wǎng)的污染。

 

 

BASiC基本半導(dǎo)體650V/1200V Hybrid IGBT 單管IGBT TO274-3和TO247-4 具備高速IGBT技術(shù)和碳化硅肖特基二極管的主要優(yōu)點，具備出色的開關(guān)速度和更低的開關(guān)損耗，TO-247 4 引腳封裝具有一個額外的開爾文發(fā)射極連接。此 4 引腳也被稱為開爾文發(fā)射極端子，繞過柵極控制回路上的發(fā)射極引線電感，從而提高 IGBT或者碳化硅MOSFET 的開關(guān)速度并降低開關(guān)能量。主要規(guī)格有BGH50N65HF1（IKW50N65RH5國產(chǎn)替代，AIKW50N65RF5國產(chǎn)替代，IKW50N65SS5國產(chǎn)替代），BGH50N65ZF1 （IKZA50N65RH5，IKZA50N65SS5國產(chǎn)替代），BGH75N65HF1（IKW75N65RH5，IKW75N65SS5國產(chǎn)替代），BGH75N65ZF1（IKZA75N65RH5，IKZA75N65SS5國產(chǎn)替代），BGH40N120HF（IKW40N120H3，IKW40N120CS6，IKW40N120CS7國產(chǎn)替代）特別適用于 DC-DC 功率變換器和PFC電路。其常見應(yīng)用包括：車載充電機（OBC）、ESS儲能系統(tǒng)、PV inverter光伏逆變器、UPS不間斷電源系統(tǒng) (UPS)，以及服務(wù)器和電信用開關(guān)電源 (SMPS) ，基本半導(dǎo)體混合碳化硅分立器件將新型場截止IGBT技術(shù)和碳化硅肖特基二極管技術(shù)相結(jié)合，為硬開關(guān)拓撲打造了一個兼顧品質(zhì)和性價比的方案。該器件將傳統(tǒng)的硅基IGBT和碳化硅肖特基二極管合封，在部分應(yīng)用中可以替代傳統(tǒng)的IGBT （硅基IGBT與硅基快恢復(fù)二極管合封），使IGBT的開關(guān)損耗大幅降低，適用于車載電源充電機（OBC）、通信電源、高頻DC-DC電源轉(zhuǎn)換器、儲能等領(lǐng)域。

 

BASiC基本半導(dǎo)體混合IGBT Hybrid Discrete搭載了為高頻開關(guān)優(yōu)化的IGBT晶圓以及650VBASiC基本SiC二極管，基本SiC二極管極小Qrr，有效降低對管IGBT開通損耗，且自身反向恢復(fù)損耗Erec也明顯降低，IGBT開通損耗隨溫度的影響很小，降低EMI，廣泛應(yīng)用于OBC車載充電器，光伏儲能逆變器，充電樁電源模塊，移動儲能逆變器功率因數(shù)校正（PFC）、DC-DC（直流-直流）和DC-AC（直流-交流）等。

 

BASiC基本半導(dǎo)體碳化硅MOSFET B1M160120HC，B1M080120HC，B1M080120HK，B1M032120HC，B1M032120HK具備開關(guān)中的小柵極電荷和器件電容、反并聯(lián)二極管無反向恢復(fù)損耗、與溫度無關(guān)的低開關(guān)損耗，以及無閾值通態(tài)特性等。非常適合硬開關(guān)和諧振開關(guān)拓撲，如LLC和ZVS，廣泛應(yīng)用于OBC車載充電器，光伏儲能逆變器，充電樁電源模塊等，可以像IGBT或MOSFET一樣使用易于使用的驅(qū)動器進行驅(qū)動。由于能在高開關(guān)頻率下帶來高效率，從而可以減小系統(tǒng)尺寸、增大功率密度，并確保高可靠性，延長使用壽命。

 

光伏逆變器升壓SiC碳化硅二極管B2D10120H1,B2D20120HC1,B2D20120H1,B2D30120HC1,B2D30120H1,B2D40120H1,B2D20065HC1,B2D20065H1,B2D30065H,B2D40065H，B2D02120E1,光伏逆變器SiC MOSFET，IGBT Hybrid Discrete，混合三電平SiC-IGBT模塊，IGBT單管，混合IGBT單管，SiC MOSFET,SiC Power MOSFET,SiC MOSFET模塊，SOT-227碳化硅肖特基二極管模塊，混合SiC-IGBT模塊，BASiC基本混合混合SiC-IGBT單管，分立碳化硅MOSFET，TO263-7碳化硅MOSFET，碳化硅（SiC）MOSFET，儲能逆變器SiC MOSFET，光伏逆變器SiC MOSFET，三電平IGBT模塊，光儲一體機混合IGBT器件

 

BASiC基本半導(dǎo)體第三代碳化硅肖特基二極管在沿用6英寸晶圓工藝基礎(chǔ)上，實現(xiàn)了更高的電流密度、更小的元胞尺寸、更低的正向?qū)▔航?。BASiC基本半導(dǎo)體第三代碳化硅肖特基二極管繼承了一代和二代產(chǎn)品的優(yōu)點，采用JBS結(jié)構(gòu)，優(yōu)化了N-外延層的摻雜濃度，減薄N+襯底層，使得二極管具有更低的正向?qū)▔航礦F和結(jié)電荷QC，可以降低應(yīng)用端的導(dǎo)通損耗和開關(guān)損耗。