高效率大功率T型三电平IGBT方案

英飞凌工业半导体 发表于 2020-09-23 14:12:22 收藏 已收藏
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高效率大功率T型三电平IGBT方案

英飞凌工业半导体 发表于 2020-09-23 14:12:22

日前,英飞凌在欧洲PCIM上介绍了PrimePack+封装的全新产品,该产品基于最新的IGBT7芯片技术,大幅提高了额定电流能力,并定义了全新的2300V芯片电压,适用于1500Vdc系统。通过不同的拓扑结构和电压等级组合,有望成为下一代最佳性价比的MW级大功率T型三电平解决方案。

高效率、高可靠性——

大功率T型三电平IGBT方案

当前光伏/储能/风电等应用中,单机功率需求越来越大;同时基于整机效率和电网友好考虑,三电平变换器也在逐渐成为新的主流方案。与此同时,在IGBT模块开发时却常常面临一个棘手问题,如何通过最小化的产品型号满足不同电压等级和功率等级的需求。

如今,我们找到了最佳的方式:将T型三电平拆分为两个标准模块单元,内管为共集电极对管模块,外管为半桥结构的标准模块。选用不同电压的外管即可覆盖大多数的应用需求,且保持封装结构的一致性,如下图所示:

T型三电平方案示意图(左:横管,右:竖管)

大功率应用采用T型三电平的优势

1.导通损耗更低,整体效率更高

IGBT芯片或二极管芯片的输出特性存在一个“knee voltage”,因此两个低压芯片的串联阻抗要大于单个高压芯片。从而T型三电平(NPC2)的导通损耗较I型三电平(NPC1)低,尤其在在1.5kHz~4kHz开关频率下,整体效率优势明显。

2.单一换流回路,方便调试优化

二极管钳位三电平(NPC1)换流路径因功率因数而改变,长换流路径杂感较大,对IGBT关断和二极管反向恢复都是很大挑战。T型三电平(NPC2)只有单一换流回路,易于优化布局设计,改善开关波形,扩大安全工作区。

3.简化开关时序,及时故障保护

二极管钳位三电平(NPC1)需要严格遵守开通时“先内后外”,和关断时(含故障保护)“先外后内”,否则内管极易因承受整个母线电压而过压损坏。T型三电平(NPC2)无这些顾虑,可以放心开关操作且内管也可使用短路保护功能。

4.省去均压电阻,简化外围电路

I型三电平(NPC1)在负载电流续流阶段,存在两个器件(T1/T2 或T3/T4)工作在串联模式,其静态分压由漏电流决定。而漏电流受内外管结温的影响。为消除此影响需要在内管额外并联电阻来强制分压,其损耗可高达10W以上。T型三电平(NPC2)不需要此分压电阻,可以简化外围电路,节省物料成本。

5.损耗均匀,芯片面积利用最大化

三电平拓扑受工作模式的影响,芯片损耗分布不均而导致芯片整体有效利用率不高。T型三电平(NPC2)多象限运行时换流路径相对固定,因此芯片利用率高于I型三电平(NPC1)。

6.功率端子并联,降低封装内寄生电阻损耗,并提高载流能力

大功率应用中,IGBT器件封装的内阻不可忽略。例如1000A有效值电流,在0.5mΩ的封装内阻上可产生数百瓦的损耗。此损耗不仅影响整机效率,也会导致铜排温升过高影响使用。T型三电平方案(NPC2)采用IGBT模块并联组合方式,整体内阻可降至I型三电平方案(NPC1)的1/4,可降低寄生电阻损耗并提高载流能力。

典型组合方案

**来源于行业应用经验;若长期在高母线电压下工作,还需考虑宇宙射线引起的失效率问题。

Q&A

Q1

多个模块拼装的方式,会不会导致整体换流回路过长、杂感过大?

A1:PrimePack是低杂感封装结构,内部采用了铜排叠层方式连接各个DCB,芯片均匀分布。当组成T型三电平时,仍构成较小的回路面积,其换流路径杂散电感可实现30nH以内。需要注意的是:PrimePack组合方式芯片分布均匀,动静态均流较独立三电平封装更佳,利于提高大电流系统的鲁棒性。

Q2

如果要添加snubber吸收电路的话,该如何放置?

A2:Snubber吸收电容可进一步降低换流回路杂感,抑制震荡和减小尖峰,有利于扩充芯片安全工作区(在更高的直流电压下开关)。一般有两种方式,可根据实际应用来选择,如下图所示(方式1-用来降低换流杂感,方式2-重点保护外管过压):

Q3

在1000V系统中,内管使用1200V的芯片,效率方面是否比650V或750V芯片低?

A3:从半导体特性上看,高压芯片的确要比低压芯片导通压降略高。但基于第七代芯片技术的设计对此进行了优化,其IGBT/Diode芯片导通压降只有1.3V/1.6V,已经优于前代的650V/750V芯片,因此同一款器件可以适用于不同电压等级的方案中。

原文标题:高效率、高可靠性——大功率T型三电平IGBT方案

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