如何利用快速開關(guān)的TRENCHSTOP? 5 IGBT和SiC二極管搭建更小更輕的PFC

本文作者

作者：akbarsyeda

翻譯：趙佳

緊湊的尺寸和不斷降低的系統(tǒng)成本是電力電子設(shè)計的開發(fā)者一直追求的目標(biāo)?，F(xiàn)在，由于家用電器消耗的能量不斷增加，從事此類應(yīng)用的工程師還有一個目標(biāo)：保持高功率因數(shù)（PF）。特別是空調(diào)，其額定功率為1.8kW或更大，是最耗電的設(shè)備之一。在這里，功率因數(shù)校正（PFC）是強(qiáng)制性的，對于PFC，設(shè)計者認(rèn)為IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）是具有最高性價比的開關(guān)器件。

在PFC系統(tǒng)中，較低的開關(guān)頻率增加了升壓電感器的尺寸。因此，開發(fā)人員不能把它放在主電路板上。在這種情況下，電感器的價格不可避免地會很高，而且系統(tǒng)的外形尺寸也受到限制，使得其他設(shè)計目標(biāo)幾乎無法實(shí)現(xiàn)。此外，在安裝或維護(hù)過程中可能發(fā)生短路（SC）事件，設(shè)計者傾向于選擇具有短路耐受能力的IGBT。

為了保證短路能力，器件的Vce(sat)和開關(guān)性能都會降低。因此，通過提高開關(guān)頻率將PFC電感器集成到主板上的需求持續(xù)上升。這樣做將最大限度地減少系統(tǒng)的外形尺寸和重量，降低電感器的成本，并能使用高性能的IGBT。

高開關(guān)頻率使電感量更小

有源PFC電路最常見的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是一個boost升壓轉(zhuǎn)換器。對于大家電的功率因數(shù)校正，采用的是連續(xù)導(dǎo)通模式（CCM），由于較低的有效值電流和較少的諧波使得傳導(dǎo)損耗比較低，這使得EMI濾波器的設(shè)計更容易。

當(dāng)交流輸入的瞬時值等于Vout/2時，CCM PFC升壓轉(zhuǎn)換器中的電感紋波達(dá)到最大值。然而，對于大功率CCM PFC來說，最小的交流輸入電壓Vac_min大約至少是180V，其峰值總是高于Vout/2。連續(xù)導(dǎo)通模式功率因數(shù)校正所需的電感量L通過以下公式計算：

電感越大，電流紋波就越小。但是，較大的電感會導(dǎo)致成本的增加。只要?IL/2小于%ripple/2，PFC就能維持CCM運(yùn)行。因此，有必要在成本和性能方面選擇最佳電感量。圖1顯示了CCM PFC所需的電感量與開關(guān)頻率的關(guān)系。圖中顯示，在較高的開關(guān)頻率下，電感變得更小。一旦頻率超過60kHz，電感就會足夠小，可以放在主板上。

圖1.Pout=2.5kW,Vac_min=180V條件下，電感量與開關(guān)頻率的關(guān)系

英飛凌的TRENCHSTOP 5 WR5/WR6 IGBT系列在導(dǎo)通和開關(guān)特性方面都具有最佳性能。特別是，當(dāng)該器件與SiC二極管作為互補(bǔ)開關(guān)使用時，開關(guān)損耗大大降低，從而能夠在超過60kHz的高開關(guān)頻率下運(yùn)行。此外，該IGBT系列具有優(yōu)化的單片集成二極管，適用于boost PFC應(yīng)用，在這種應(yīng)用中，高額定電流的反并聯(lián)二極管是不經(jīng)濟(jì)的。IGBT的反并聯(lián)二極管在CCM升壓轉(zhuǎn)換器的正常負(fù)載操作中不導(dǎo)通。但在瞬態(tài)或輕載條件下，反向電流會流經(jīng)該器件，其量級非常小，而且只持續(xù)很短的時間。因此，反并聯(lián)二極管的額定電流要求不是很高，所以集成在WR5/WR6 IGBT中的二極管足以滿足這種非典型操作。這使得TRENCHSTOP 5 WR5/WR6 IGBT成為一個具有成本效益的選擇。

為了驗(yàn)證這一解決方案的有效性，我們使用了TRENCHSTOP 5 WR5 IGBT系列中的IKW40N65WR5器件，并將其電氣特性與CoolMOS P7 MOSFET（金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管）的同等額定值進(jìn)行了比較。

IGBT展現(xiàn)最佳性能

圖2顯示了IKW40N65WR5 IGBT、80mΩ CoolMOS P7 MOSFET以及競爭對手的最佳性能IGBT在開關(guān)頻率為60kHz時的效率和熱性能。

結(jié)果顯示，在整個負(fù)載范圍內(nèi)，IKW40N65WR5 IGBT的效率和熱性能都優(yōu)于競爭對手的IGBT。

在IKW40N65WR5 IGBT和競爭對手的器件之間，最大溫度差距超過23℃，在最大負(fù)載下，效率差距約為0.3%。此外，IKW40N65WR5 IGBT在約2kW及以上的情況下，顯示出比同等的CoolMOS P7 MOSFET更好的散熱和效率性能。相比之下，同等的CoolMOS P7 MOSFET在中低負(fù)載范圍內(nèi)的表現(xiàn)略好。

圖2.IKW40N65WR5 IGBT,CoolMOS P7 MOSFET以及競爭對手最佳性能的40A IGBT在 fsw=60kHz下的效率及熱性能測試結(jié)果

圖2所示的結(jié)果表明，CoolMOS P7 MOSFET將是輕載條件的理想選擇。對于大型電器，如空調(diào)，滿載條件非常重要，考慮到成本和性能，TRENCHSTOP 5 WR5 IGBT顯然是最佳選擇。通過使用TRENCHSTOP 5 WR5 IGBT和一個SiC二極管，可以將PFC級的開關(guān)頻率提高到60 kHz。這大大降低了所需的電感量，節(jié)省了重量和空間，使PFC電感直接安裝在主板上成為可能。

此外，TRENCHSTOP 5 WR5 IGBT在高頻運(yùn)行中表現(xiàn)出的效率和熱性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于性能最好的競爭對手的器件。與同等的CoolMOS P7 MOSFET相比，IKW40N65WR5 IGBT在2kW左右及以上的情況下具有更高的效率和溫度特性。