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為什么逆導(dǎo)型IGBT可以用于大功率CCM模式 PFC電路

發(fā)布時(shí)間:2023-02-20 來源:英飛凌 責(zé)任編輯:wenwei

【導(dǎo)讀】對于功率因數(shù)校正(PFC),通常使用升壓轉(zhuǎn)換器Boost拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。它可以最大限度地減少輸入電流的諧波。同時(shí)IGBT是大功率PFC應(yīng)用的最佳選擇,如空調(diào)、加熱、通風(fēng)和空調(diào)(HVAC)以及熱泵。


理論上,在連續(xù)導(dǎo)通模式(CCM)下,通過IGBT反向續(xù)流永遠(yuǎn)不會(huì)發(fā)生。然而,在輕負(fù)載或瞬態(tài)條件下,由于升壓電感Lboost和IGBT的輸出電容Coss之間的共振,會(huì)有反向電流流過。


這個(gè)諧振電流,iQN(t)是由以下公式給出的。


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諧振期間IGBT兩端的電壓(VCE)可以得出:


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當(dāng)輸入電壓Vin低于輸出電壓的一半時(shí)(Vin<vout/2),開關(guān)管的電壓VCE變?yōu)樨?fù)值。如果沒有與圖1中升壓PFC的IGBT并聯(lián)的反向?qū)щ娐窂?,這個(gè)負(fù)電壓會(huì)出現(xiàn)在IGBT上。如果不考慮阻尼因素,在過零點(diǎn)附近的反向電壓的大小理論上可以達(dá)到與輸出電壓Vout相同的量值。這對系統(tǒng)的長期可靠性來說是非常危險(xiǎn)的,因?yàn)樗荒鼙WC反向電壓被施加到IGBT上。


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Figure 1. PFC circuit with boost converter topology


比較用于PFC應(yīng)用的不同IGBT解決方案


通過測試比較TRENCHSTOP? 5 WR6 IGBT(IKWH30N65WR6)和TRENCHSTOP?  IGBT3(IGW30N60H3)在CCM-boost PFC電路中的工作波形,證明了這種現(xiàn)象。IKWH30N65WR6包含一個(gè)集成在IGBT芯片中的反向?qū)щ姷亩O管,而后者的IGBT不包含反向?qū)щ姷亩O管。圖2顯示,對于IKWH30N65WR6,反向電壓被鉗位到接近零。在使用IGW30N60H3的情況下,反向電壓最高達(dá)到-241V。因此,即使在PFC的CCM模式中,反向?qū)щ姸O管對于確保系統(tǒng)的可靠性也是至關(guān)重要的。


然而,在這種情況下,對于短時(shí)間軟的反向恢復(fù)電流,我們不需要一個(gè)高性能的續(xù)流二極管。在圖2中,你可以看到IGBT的反向電流的峰值只有大約200毫安,持續(xù)時(shí)間為幾微秒。


25.jpg

Without reverse conducting diode


26.jpg

With reverse conducting diode


Figure 2. Switching waveforms of IGBTs at turn-off transition in CCM PFC at light load condition


一般來說,逆導(dǎo)型RC IGBT不適合于需要硬換流的應(yīng)用。然而,RC IGBT對一些硬換向應(yīng)用非常有利,如PFC,其中IGBT的反向續(xù)流二極管不需要有良好的反向恢復(fù)性能。在這種應(yīng)用中,當(dāng)高性能的二極管是多余的時(shí)候,它們提供了一個(gè)更經(jīng)濟(jì)的選擇。


用于升壓PFC和逆變焊接應(yīng)用的TRENCHSTOP? 5 WR6 IGBT


英飛凌最新的RC IGBT,如圖3所示,是基于TRENCHSTOP? 5 WR6 IGBT技術(shù),其中N+區(qū)被部分植入P集電極層,形成一個(gè)內(nèi)在的P-N二極管。這使得反向電流可以流動(dòng),而不需要額外的續(xù)流二極管。


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Figure 3. TRENCHSTOPTM 5 WR6 IGBT using a reverse-conducting (RC) IGBT concept


這種TRENCHSTOP? 5 WR6 IGBT非常適用于升壓PFC和逆變焊接應(yīng)用。根據(jù)目標(biāo)應(yīng)用優(yōu)化漂移區(qū)的厚度和二極管的額定值,確保了額定電流下1.4V的最佳VCE(sat),同時(shí)保持650V的額定電壓。此外,由于其極低的少數(shù)載流子壽命,不會(huì)出現(xiàn)拖尾電流,這使得TRENCHSTOP? 5 WR6 IGBT能夠?qū)崿F(xiàn)60kHz甚至更高的開關(guān)頻率。


當(dāng)選擇TRENCHSTOP? 5 WR6 IGBT用于不發(fā)生硬換流的PFC應(yīng)用時(shí),不需要擔(dān)心逆導(dǎo)型IGBT中的二極管性能問題。有了這項(xiàng)技術(shù),就有可能為您的下一個(gè)設(shè)計(jì)創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)而可靠的系統(tǒng)。


參考資料


[1] E. M. Findlay and F. Udrea, “Reverse-Conducting Insulated Gate Bipolar Transistor: A Review of Current Technologies,” in IEEE Transactions on Electron Devices, Vol. 66, no. 1, pp. 219-231, Jan. 2019.


[2] I. Sheikhian; N. Kaminski; S. Voss; W. Scholz; E. Herweg; “Optimization of the reverse conducting IGBT for zero‐voltage switching applications such as induction cookers” Volume8, Issue3 Special Issue: Power Semiconductor Devices and Integrated Circuit, May 2014 pp. 176-181



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