【導(dǎo)讀】提到軟開關(guān)技術(shù),大家耳熟能詳?shù)挠辛汶妷洪_通ZVS(Zero voltage switching) 和零電流關(guān)斷ZCS(Zero current switching),同時,尤其是在現(xiàn)在的電源產(chǎn)品中,絕大多數(shù)的采用軟開關(guān)拓?fù)涞碾娫串a(chǎn)品都選擇了ZVS,而不是ZCS,所以,Si MOSFET和SiC MOSFET一直是很多同學(xué)提到ZVS時想到的主要功率器件搭檔,而不是IGBT。
今天我就來嘮一嘮IGBT在軟開關(guān)拓?fù)渲械膽?yīng)用,IGBT是否能用于ZVS以及IGBT是否更適用于ZCS。
長期以來,IGBT給人的印象就如農(nóng)家樸實低調(diào)的老大哥,少有拋頭露臉,而MOSFET則宛如古靈精怪的小妹,處處都能見到。不過這也不足為怪,結(jié)合IGBT技術(shù)的升級迭代發(fā)展史(可以參考文章“英飛凌IGBT芯片簡史”),從史前時代的穿通(NPT)型IGBT,到初代盟主非穿通(NPT)型IGBT,最為人詬病的就是其拖尾電流,如圖一,作為雙極性器件,IGBT關(guān)斷時IGBT少子復(fù)合會產(chǎn)生拖尾電流,而且拖尾電流持續(xù)時間可以達(dá)到us級,而此時CE電端電壓已經(jīng)上升到額定工作電壓,導(dǎo)致IGBT的關(guān)斷損耗比較大,所以,為了降低IGBT的關(guān)斷損耗,通常建議IGBT采用零電流關(guān)斷ZCS,這樣IGBT的關(guān)斷損耗近似零,所以,在這個歷史時間點,這個建議是沒毛病的。
圖一 IGBT的拖尾電流
但是,IGBT技術(shù)也一直在進(jìn)步,溝槽柵-場終止(Trench FS)型IGBT的出現(xiàn),從平面柵變?yōu)闇喜蹡牛黾恿穗妶鼋K止層,保持了IGBT載流子濃度均勻分布,如圖二,盡可能的降低了通態(tài)損耗,同時,關(guān)斷時形成拖尾電流的載流子數(shù)量也越來越少,甚至幾乎沒有拖尾電流,持續(xù)時間也僅為ns級,表現(xiàn)出硬關(guān)斷(snappy turn-off)特性,也就是說IGBT的關(guān)斷損耗中拖尾電流導(dǎo)致的損耗占比也急劇降低。
圖二 不同IGBT技術(shù)中載流子濃度分配
至此,可以肯定的講,IGBT也是可以用于ZVS的,而且還得到了廣泛應(yīng)用。2006年,Pavlovsky在IEEE發(fā)表了一篇論文[1],在一臺50KW的測試平臺上,得到了IGBT在ZVS,準(zhǔn)ZCS條件下的損耗以及效率,最高效率達(dá)到了97%。
圖三 50 KW test ZVS, Quasi-ZCS converter
以大家熟知的感應(yīng)加熱應(yīng)用為例,比如電磁爐,無論是單端的拓?fù)溥€是半橋拓?fù)洌疾捎昧薢VS的軟開關(guān)控制,從圖六的IGBT驅(qū)動電壓VGE, 集電極-發(fā)射極電壓VCE以及電流ICE波形可以明確的看到,在VGE變?yōu)楦唠娖街?,VCE已經(jīng)提前降低到IGBT的體二極管正向?qū)▔航担@是典型的零電壓開通ZVS,并且IGBT開通之前,ICE電流是反向的,這都是開關(guān)管實現(xiàn)ZVS的必要條件。
作為功率半導(dǎo)體行業(yè)的重要一員,英飛凌的可以用于感應(yīng)加熱的明星IGBT型號有IHW20N135R5 (單端),和IHW40N65R6(半橋),英飛凌官網(wǎng)上也有一塊半橋拓?fù)涞母袘?yīng)加熱評估板,EVAL-IHW65R62EDS06J,感興趣的同學(xué)可以去溜達(dá)看看。
圖四 電磁爐典型應(yīng)用場景
圖五 單端電磁爐拓?fù)洌ú⒙?lián)諧振)
圖六 單端電磁爐IGBT的VGE 、VCE 、ICE
(并聯(lián)諧振)
圖七 英飛凌感應(yīng)加熱評估板
EVAL-IHW65R62EDS06J
圖八 半橋感應(yīng)加熱評估板IGBT的
當(dāng)然,IGBT能應(yīng)用的ZVS拓?fù)湓趺茨苌俚牧薒LC呢,IGBT不光可以用于LLC拓?fù)?,還同樣能實現(xiàn)大功率的輸出,各位可以找找2021年中車時代電氣工程師張小勇發(fā)表的論文[2],“LLC諧振變換器中IGBT的死區(qū)時間分析及優(yōu)化設(shè)計”,采用IGBT搭建了60KW的LLC變換器,如圖九和圖十,解決了IGBT輸出電容的非線性變化導(dǎo)致的死區(qū)時間設(shè)置困難的問題,有助于推動LLC諧振軟開關(guān)技術(shù)在大功率變流器中實現(xiàn)廣泛應(yīng)用。
圖九 LLC拓?fù)?/p>
圖十 LLC變換器穩(wěn)態(tài)工作波形
另外,也有聲音說,IGBT的開通、關(guān)斷太慢,只適合低頻比如20kHz左右的開關(guān)頻率,各位,如果真那么想,你就out了,英飛凌的第5代IGBT甚至可以支持高達(dá)100kHz的開關(guān)頻率,比如IKW40N65F5,欲知詳情,請點擊文末“閱讀原文”登陸英飛凌官網(wǎng)。
參考文獻(xiàn)
[1]. M. Pavlovsky;S.W.H. de Haan;J.A. Ferreira,“Evaluation_of_IGBT_modules_and_their_suitability_for_ZVS_quasi-ZCS_converter_topologies”Twenty-First Annual IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition, 2006. APEC '06.
[2]. 張小勇, 張慶, 饒沛南, 等,LLC諧振變換器中IGBT的死區(qū)時間分析及優(yōu)化設(shè)計[J],機車電傳動,2021,3:113-117.
來源:英飛凌工業(yè)半導(dǎo)體
原創(chuàng):伍堂順,王丹
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