基本™（BASiC Semiconductor）圖騰柱無橋PFC中混合IGBT的應(yīng)用-傾佳電子（Changer Tech）專業(yè)分銷     現(xiàn)代尖端電力電子設(shè)備性能升級(jí)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(jià)比兼具的主開關(guān)器件。為此，基本™（BASiC Semiconductor）推出的混合碳化硅分立器件（Hybrid SiC Discrete Devices）將新型場(chǎng)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?fù)浯蛟炝艘粋€(gè)兼顧品質(zhì)和性價(jià)比的完美方案。   典型應(yīng)用：基本™（BASiC Semiconductor）混合IGBT單管在工商業(yè)儲(chǔ)能PCS變流器中的應(yīng)用-傾佳電子（Changer Tech）專業(yè)分銷   工商業(yè)儲(chǔ)能PCS變流器： 1、主要功率點(diǎn)位：35kW、50kW、70kW（35kW兩模塊并）、100kW（50kW模塊兩并）、125kW（62.5kW模塊兩并），功率點(diǎn)位的選擇主要取決于電池容量，都是標(biāo)準(zhǔn)值； 2、T型三電平是主流方案，出于競(jìng)爭(zhēng)力考量，采用分立器件IGBT；T型三電平的開關(guān)頻率，目前主要在16-20kHz之間 3、35kW單機(jī)方案：TO-247封裝單管IGBT是現(xiàn)階段主力，橫管用650V 50AIGBT兩并聯(lián)，豎管用1200V 40A IGBT 3顆并聯(lián)或者1200V 25A IGBT 4顆并聯(lián)。 4、單機(jī)功率要躍遷到50kW和62.5kW，純硅IGBT的并聯(lián)個(gè)數(shù)太多，不符合客戶的利益要求，功率越往上走，客戶有很強(qiáng)的動(dòng)力減少IGBT單管的數(shù)量，混合IGBT具有明顯的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，橫管豎管都使用混合IGBT，可以更大限度壓低IGBT開通電阻，降低IGBT開關(guān)損耗，更大限度發(fā)揮混管的性能?？蛻魧GBT的開通關(guān)斷電阻分開，如果橫管跟豎管同時(shí)選擇混管，理論上可以將開通電阻調(diào)到0Ω，大大降級(jí)IGBT的損耗，這么一來，可以縮小混管跟全碳MSOFET在這種方案中的差距，更大程度發(fā)揮混管的性能。1200V碳化硅MOSFET的方案現(xiàn)階段評(píng)估成本還太高?；旃茉诂F(xiàn)有方案中具有較強(qiáng)的發(fā)展?jié)摿蜕Α?nbsp;   橫管混合IGBT選型推：BGH50N65HF1,BGH50N65HS1,BGH50N65ZF1,BGH75N65HF1,BGH75N65ZF1 豎管混合IGBT選型推薦： BGH40N120HF1,BGH40N120HS1,BGH75N120HF1,BGH75N120HS1 電壓源型光伏微逆混合 IGBT單管，30A/650V 隨著家用微逆并網(wǎng)收益持續(xù)減弱，家用微逆配套儲(chǔ)能功能需求逐漸增強(qiáng)，電壓源型微逆的需求開始涌現(xiàn)。同時(shí)實(shí)現(xiàn)本地有功負(fù)荷的合理分配,無功負(fù)荷的合理分配和無功環(huán)流的有效抑制。   國(guó)產(chǎn)SiC碳化硅MOSFET功率器件可靠性及一致性如何確保？ 電力電子系統(tǒng)研發(fā)制造商一般需要碳化硅MOSFET功率器件批發(fā)商提供可靠性測(cè)試報(bào)告的原始數(shù)據(jù)和器件封裝的FT數(shù)據(jù)。 SiC碳化硅MOSFET可靠性報(bào)告原始數(shù)據(jù)主要來自以下可靠性測(cè)試環(huán)節(jié)的測(cè)試前后的數(shù)據(jù)對(duì)比，通過對(duì)齊可靠性報(bào)告原始數(shù)據(jù)測(cè)試前后漂移量的對(duì)比，從而反映器件的可靠性控制標(biāo)準(zhǔn)及真實(shí)的可靠性裕量。SiC碳化硅MOSFET可靠性報(bào)告原始數(shù)據(jù)主要包括以下數(shù)據(jù): SiC碳化硅MOSFET高溫反偏 High Temperature Reverse Bias HTRB Tj=175℃ VDS=100%BV SiC碳化硅MOSFET高溫柵偏（正壓） High Temperature Gate Bias（+） HTGB（+） Tj=175℃ VGS=22V SiC碳化硅MOSFET高溫柵偏（負(fù)壓） High Temperature Gate Bias（-） HTGB（-） Tj=175℃ VGS=-8V SiC碳化硅MOSFET高壓高濕高溫反偏 High Voltage, High Humidity, High Temp. Reverse Bias HV-H3TRB Ta=85℃ RH=85% VDS=80%BV SiC碳化硅MOSFET高壓蒸煮 Autoclave AC Ta=121℃ RH=100% 15psig SiC碳化硅MOSFET溫度循環(huán) Temperature Cycling TC -55℃ to 150℃ SiC碳化硅MOSFET間歇工作壽命 Intermittent Operational Life IOL △Tj≥100℃ Ton=2min Toff=2min FT數(shù)據(jù)來自碳化硅MOSFET功率器件FT測(cè)試(Final Test，也稱為FT)是對(duì)已制造完成的碳化硅MOSFET功率器件進(jìn)行結(jié)構(gòu)及電氣功能確認(rèn)，以保證碳化硅MOSFET功率器件符合系統(tǒng)的需求。 通過分析碳化硅MOSFET功率器件FT數(shù)據(jù)的關(guān)鍵數(shù)據(jù)（比如V(BR)DSS，VGS(th)，RDS(on)， IDSS）的正態(tài)分布，可以定性碳化硅MOSFET功率器件材料及制程的穩(wěn)定性，這些數(shù)據(jù)的定性對(duì)電力電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)及大批量制造的穩(wěn)定性也非常關(guān)鍵。   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(chǎng)合性價(jià)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(jià)值，特別適用于對(duì)功率密度提升有需求，同時(shí)更強(qiáng)調(diào)性價(jià)比的電源應(yīng)用領(lǐng)域，如車載電源充電機(jī)（OBC）、通信電源、高頻DC-DC電源轉(zhuǎn)換器、UPS等。   傾佳電子（Changer Tech）專業(yè)分銷的基本™（BASiC Semiconductor）混合IGBT主要有： BGH75N65HS1 BGH50N65HF1 BGH50N65HS1 BGH50N65ZF1 BGH75N65HF1 BGH75N65ZF1 BGH40N120HS1 BGH75N120HF1   01   PFC技術(shù)趨勢(shì)   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?fù)涞脑O(shè)計(jì)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(jìn)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如傳統(tǒng)的PFC拓?fù)洹⑵胀o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(jì)過程中。   圖片 對(duì)比上述四種常見的PFC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，圖騰柱無橋PFC拓?fù)涞钠骷昧績(jī)H為6，同時(shí)還具有導(dǎo)通損耗更低、效率更高等優(yōu)點(diǎn)，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(xiàng)目采用圖騰柱無橋PFC取代傳統(tǒng)的PFC或交錯(cuò)并聯(lián)PFC。   因此本文除闡述圖騰柱無橋PFC的優(yōu)勢(shì)和工作原理之外，將重點(diǎn)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。     Basic™ (BASiC Semiconductor) second generation SiC silicon carbide MOSFET has two main features: 1. Outstanding reliability: Compared with competing products, there is sufficient design margin to ensure device reliability during mass manufacturing. The breakdown voltage BV value of BASiC Semiconductor's second-generation SiC silicon carbide MOSFET 1200V series is measured to be around 1700V, which is higher than mainstream competing products on the market. The breakdown voltage BV design margin can withstand silicon carbide substrate epitaxial materials and wafers. The swing of the tape-out process can ensure device reliability during mass manufacturing, which is the most critical quality of BASiC Semiconductor’s second-generation SiC silicon carbide MOSFET. BASiC Semiconductor’s second-generation SiC silicon carbide MOSFET The relatively high avalanche tolerance margin also enhances reliability in power electronic system applications. 2. Remarkable device performance: Smaller Crss with the same specifications brings excellent switching performance. BASiC Semiconductor's second-generation SiC silicon carbide MOSFET reverse transmission capacitor Crss is relatively small among mainstream competing products on the market, and its turn-off loss Eoff is also very good among mainstream products on the market, better than some overseas competing products. , especially suitable for LLC applications, typical applications such as charging pile power module downstream DC-DC applications.     02   圖騰柱無橋PFC拓?fù)浞治?  圖片                     圖5   正半周期，T2開通，電感儲(chǔ)能   圖6   正半周期，T2關(guān)斷，電感釋能       在正半周期（VAC>0）的時(shí)候，T2為主開關(guān)管。   當(dāng)T2開通時(shí)，電感L儲(chǔ)能，電流回路如圖5所示；   當(dāng)T2關(guān)斷時(shí)，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；   圖片                 圖7   負(fù)半周期，T1開通，電感儲(chǔ)能   圖8   負(fù)半周期，T1關(guān)斷，電感釋能   在負(fù)半周期（VAC＜0）的時(shí)候，T1為主開關(guān)管。   當(dāng)T1開通時(shí)，電感L儲(chǔ)能，電流回路如圖7所示；   當(dāng)T1關(guān)斷時(shí)，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(diǎn)的圖騰柱無橋PFC拓?fù)浼捌湓矸治觯蠄D中D3和D4各自工作在交流輸入的工頻正半周期和負(fù)半周期，導(dǎo)通時(shí)間較長(zhǎng)，因此建議選擇低速和低導(dǎo)通壓降的硅整流二極管。為進(jìn)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(shí)，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(shí)，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(shí)會(huì)產(chǎn)生反向恢復(fù)電流Irr，會(huì)明顯增大對(duì)管開關(guān)管的開通損耗，降低整個(gè)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(jìn)一步提升電源效率。針對(duì)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™（BASiC Semiconductor）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）?；?trade;（BASiC Semiconductor）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(duì)比的主要優(yōu)點(diǎn)有：   圖片 圖9 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(diǎn)，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(shí)，使用碳化硅肖特基二極管可以顯著提升整機(jī)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(duì)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(duì)IGBT或超結(jié)MOSFET要小很多。因此，當(dāng)開關(guān)頻率提高時(shí)，碳化硅MOSFET的優(yōu)勢(shì)將更為明顯，系統(tǒng)的效率也會(huì)更高。當(dāng)客戶選擇碳化硅MOSFET為主開關(guān)管后，通常也會(huì)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。   圖片 圖10 圖騰柱無橋PFC 碳化硅 MOSFET (T1和T2) + 硅 MOSFET (T3和T4) 方案       方案二的效率是更高的，相對(duì)地，客戶端付出的成本也是更高的。 綜合上述各個(gè)方案的特點(diǎn)和分析，為滿足不同的市場(chǎng)需求，基本™（BASiC Semiconductor）為圖騰柱無橋PFC這一硬開關(guān)拓?fù)湓O(shè)計(jì)了能同時(shí)兼顧效率與性價(jià)比的混合碳化硅分立器件，同時(shí)也提供了更高效率的全碳化硅 MOSFET方案。       04   對(duì)比測(cè)試       這里采用雙脈沖測(cè)試方法對(duì)圖騰柱無橋PFC中混合碳化硅分立器件和純硅 IGBT進(jìn)行對(duì)比測(cè)試，以評(píng)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(duì)主開關(guān)管損耗的影響，并同時(shí)檢測(cè)續(xù)流二極管的恢復(fù)行為。   圖片 圖11 測(cè)試原理圖   測(cè)試對(duì)象：   BG50N065HF（BASiC, IGBT+FRD），BGH50N065HF（BASiC, IGBT+碳化硅肖特基二極管）   測(cè)試條件：   Vbus=400V, Rgon=Rgoff=10Ω, VGE=15V/0V, L=200uH   圖片 圖12 傳統(tǒng)IGBT及混合碳化硅分立器件開關(guān)損耗參數(shù)對(duì)比     如圖12所示，碳化硅肖特基二極管對(duì)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™（BASiC Semiconductor）碳化硅混合分立器件的開通損耗相對(duì)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(duì)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(shì)更加明顯。 圖片 圖13 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(duì)比   如圖13所示，混合碳化硅分立器件的反向恢復(fù)時(shí)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)   圖片   基本™（BASiC Semiconductor）主要推出了650V 50A和650V 75A的混合碳化硅分立器件，并同時(shí)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(jìn)行Pin To Pin替換驗(yàn)證測(cè)試及使用，在同樣的設(shè)計(jì)系統(tǒng)中，客戶可以在更短時(shí)間內(nèi)提升整機(jī)效率，降低散熱器設(shè)計(jì)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(jìn)行設(shè)計(jì)，以此減少電流諧波對(duì)電網(wǎng)的污染。