基本™（BASiC Semiconductor）圖騰柱無(wú)橋PFC中混合IGBT的應用-傾佳電子（Changer Tech）專(zhuān)業(yè)分銷(xiāo)     現代尖端電力電子設備性能升級需要提升系統功率密度、使用更高的主開(kāi)關(guān)頻率。而現有硅基IGBT配合硅基FRD性能已無(wú)法完全滿(mǎn)足要求，需要高性能與性?xún)r(jià)比兼具的主開(kāi)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)相結合，為硬開(kāi)關(guān)拓撲打造了一個(gè)兼顧品質(zhì)和性?xún)r(jià)比的完美方案。   典型應用：基本™（BASiC Semiconductor）混合IGBT單管在工商業(yè)儲能PCS變流器中的應用-傾佳電子（Changer Tech）專(zhuān)業(yè)分銷(xiāo)   工商業(yè)儲能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，都是標準值； 2、T型三電平是主流方案，出于競爭力考量，采用分立器件IGBT；T型三電平的開(kāi)關(guān)頻率，目前主要在16-20kHz之間 3、35kW單機方案：TO-247封裝單管IGBT是現階段主力，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、單機功率要躍遷到50kW和62.5kW，純硅IGBT的并聯(lián)個(gè)數太多，不符合客戶(hù)的利益要求，功率越往上走，客戶(hù)有很強的動(dòng)力減少I(mǎi)GBT單管的數量，混合IGBT具有明顯的應用優(yōu)勢，橫管豎管都使用混合IGBT，可以更大限度壓低IGBT開(kāi)通電阻，降低IGBT開(kāi)關(guān)損耗，更大限度發(fā)揮混管的性能?？蛻?hù)將IGBT的開(kāi)通關(guān)斷電阻分開(kāi)，如果橫管跟豎管同時(shí)選擇混管，理論上可以將開(kāi)通電阻調到0Ω，大大降級IGBT的損耗，這么一來(lái)，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的方案現階段評估成本還太高?；旃茉诂F有方案中具有較強的發(fā)展潛力和生命力。    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(zhù)家用微逆并網(wǎng)收益持續減弱，家用微逆配套儲能功能需求逐漸增強，電壓源型微逆的需求開(kāi)始涌現。同時(shí)實(shí)現本地有功負荷的合理分配,無(wú)功負荷的合理分配和無(wú)功環(huán)流的有效抑制。   國產(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)商提供可靠性測試報告的原始數據和器件封裝的FT數據。 SiC碳化硅MOSFET可靠性報告原始數據主要來(lái)自以下可靠性測試環(huán)節的測試前后的數據對比，通過(guò)對齊可靠性報告原始數據測試前后漂移量的對比，從而反映器件的可靠性控制標準及真實(shí)的可靠性裕量。SiC碳化硅MOSFET可靠性報告原始數據主要包括以下數據: 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數據來(lái)自碳化硅MOSFET功率器件FT測試(Final Test，也稱(chēng)為FT)是對已制造完成的碳化硅MOSFET功率器件進(jìn)行結構及電氣功能確認，以保證碳化硅MOSFET功率器件符合系統的需求。 通過(guò)分析碳化硅MOSFET功率器件FT數據的關(guān)鍵數據（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定性，這些數據的定性對電力電子系統設計及大批量制造的穩定性也非常關(guān)鍵。   該器件將傳統的硅基IGBT和碳化硅肖特基二極管合封，在部分應用中可以替代傳統的IGBT （硅基IGBT與硅基快恢復二極管合封），使得IGBT的開(kāi)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MOSFET和高性能的碳化硅 MOSFET之間，在某些場(chǎng)合性?xún)r(jià)比更優(yōu)于超結MOSFET和碳化硅MOSFET，可幫助客戶(hù)在性能和成本之間取得更好的平衡，具有重要的應用價(jià)值，特別適用于對功率密度提升有需求，同時(shí)更強調性?xún)r(jià)比的電源應用領(lǐng)域，如車(chē)載電源充電機（OBC）、通信電源、高頻DC-DC電源轉換器、UPS等。   傾佳電子（Changer Tech）專(zhuān)業(yè)分銷(xiāo)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   在電源研發(fā)領(lǐng)域，尤其是在汽車(chē)OBC和通信電源應用領(lǐng)域，由于PFC拓撲的設計可直接影響到電力轉換系統效率的高低，使得這一關(guān)鍵因素在近年來(lái)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拓撲結構，如傳統的PFC拓撲、普通無(wú)橋PFC、雙升壓無(wú)橋PFC，圖騰柱無(wú)橋PFC等，并已成功大范圍應用在設計過(guò)程中。   圖片 對比上述四種常見(jiàn)的PFC拓撲結構，圖騰柱無(wú)橋PFC拓撲的器件用量?jì)H為6，同時(shí)還具有導通損耗更低、效率更高等優(yōu)點(diǎn)，因此在車(chē)載OBC及通信電源等高效應用方面已有量產(chǎn)項目采用圖騰柱無(wú)橋PFC取代傳統的PFC或交錯并聯(lián)PFC。   因此本文除闡述圖騰柱無(wú)橋PFC的優(yōu)勢和工作原理之外，將重點(diǎn)介紹圖騰柱無(wú)橋PFC的功率半導體器件選型，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(wú)橋PFC拓撲分析   圖片                     圖5   正半周期，T2開(kāi)通，電感儲能   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(kāi)關(guān)管。   當T2開(kāi)通時(shí)，電感L儲能，電流回路如圖5所示；   當T2關(guān)斷時(shí)，T1的反并聯(lián)二極管D1開(kāi)通，電感L釋放能量，電流回路如圖6所示；   圖片                 圖7   負半周期，T1開(kāi)通，電感儲能   圖8   負半周期，T1關(guān)斷，電感釋能   在負半周期（VAC＜0）的時(shí)候，T1為主開(kāi)關(guān)管。   當T1開(kāi)通時(shí)，電感L儲能，電流回路如圖7所示；   當T1關(guān)斷時(shí)，T2的反并聯(lián)二極管D2開(kāi)通，電感L釋放能量，電流回路如圖8所示；       03   圖騰柱無(wú)橋PFC功率器件選型       基于上述第2點(diǎn)的圖騰柱無(wú)橋PFC拓撲及其原理分析，上圖中D3和D4各自工作在交流輸入的工頻正半周期和負半周期，導通時(shí)間較長(cháng)，因此建議選擇低速和低導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通損耗。 如果圖騰柱無(wú)橋PFC工作處于電流斷續模式（DCM）或臨界導通模式（CrM）時(shí)，T1和T2可以選擇純硅 IGBT （IGBT+FRD）或者超結MOSFET作為主開(kāi)關(guān)管。但是如果圖騰柱無(wú)橋PFC工作處于電流連續導通模式（CCM）時(shí)，T1和T2如果仍選擇純硅 IGBT （IGBT+FRD）或者超結MOSFET作為主開(kāi)關(guān)管的話(huà)，由于IGBT上反并聯(lián)的二極管及超結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)生反向恢復電流Irr，會(huì )明顯增大對管開(kāi)關(guān)管的開(kāi)通損耗，降低整個(gè)系統的效率。 可見(jiàn)，在圖騰柱無(wú)橋PFC中，現有硅基IGBT配合硅基FRD或超結MOSFET作為主開(kāi)關(guān)管的傳統IGBT解決方案已很難再進(jìn)一步提升電源效率。針對上述情況，解決方案有以下兩種。       方案一：將IGBT單管上反并聯(lián)的快速恢復二極管換成基本™（BASiC Semiconductor）的“零反向恢復”的碳化硅肖特基二極管（碳化硅 SBD），這種組合起來(lái)封裝的器件，稱(chēng)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對比的主要優(yōu)點(diǎn)有：   圖片 圖9 二極管反向恢復電流Irr和開(kāi)關(guān)管T2開(kāi)關(guān)波形       （1）碳化硅肖特基二極管具有“零反向恢復” 的特點(diǎn)，可以顯著(zhù)減少開(kāi)關(guān)管的開(kāi)通損耗; （2）“零反向恢復”意味著(zhù)反向恢復電流跟雜散電感產(chǎn)生的諧振幾乎為零，可顯著(zhù)改善系統EMI; （3）碳化硅肖特基二極管 的QC更小，PFC開(kāi)關(guān)頻率提升時(shí)，使用碳化硅肖特基二極管可以顯著(zhù)提升整機效率。     方案二：主開(kāi)關(guān)管選擇的碳化硅MOSFET器件，碳化硅MOSFET相對于IGBT或超結MOSFET有更低的開(kāi)關(guān)損耗。碳化硅MOSFET的體二極管雖然也存在反向恢復行為，但是其反向恢復電流相對IGBT或超結MOSFET要小很多。因此，當開(kāi)關(guān)頻率提高時(shí)，碳化硅MOSFET的優(yōu)勢將更為明顯，系統的效率也會(huì )更高。當客戶(hù)選擇碳化硅MOSFET為主開(kāi)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換成普通的低導通電阻（Rdson）的硅-MOSFET [B1] ，降低整流器件的導通損耗。   圖片 圖10 圖騰柱無(wú)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，相對地，客戶(hù)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(mǎn)足不同的市場(chǎng)需求，基本™（BASiC Semiconductor）為圖騰柱無(wú)橋PFC這一硬開(kāi)關(guān)拓撲設計了能同時(shí)兼顧效率與性?xún)r(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   對比測試       這里采用雙脈沖測試方法對圖騰柱無(wú)橋PFC中混合碳化硅分立器件和純硅 IGBT進(jìn)行對比測試，以評估續流二極管（硅快恢復二極管或碳化硅肖特基二極管）對主開(kāi)關(guān)管損耗的影響，并同時(shí)檢測續流二極管的恢復行為。   圖片 圖11 測試原理圖   測試對象：   BG50N065HF（BASiC, IGBT+FRD），BGH50N065HF（BASiC, IGBT+碳化硅肖特基二極管）   測試條件：   Vbus=400V, Rgon=Rgoff=10Ω, VGE=15V/0V, L=200uH   圖片 圖12 傳統IGBT及混合碳化硅分立器件開(kāi)關(guān)損耗參數對比     如圖12所示，碳化硅肖特基二極管對IGBT的損耗和二極管反向恢復損耗的影響非常大。使用碳化硅肖特基二極管后，可以顯著(zhù)降低IGBT的開(kāi)通損耗和總損耗，基本™（BASiC Semiconductor）碳化硅混合分立器件的開(kāi)通損耗相對于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電流和反向恢復損耗。相對傳統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)勢更加明顯。 圖片 圖13 傳統IGBT及混合碳化硅分立器件反并聯(lián)二極管的特性參數對比   如圖13所示，混合碳化硅分立器件的反向恢復時(shí)間Trr，反向恢復電流Irr和反向恢復損耗Err明顯降低。     05   總     結   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(hù)在不需要更改電源電路和PCB的基礎上，直接進(jìn)行Pin To Pin替換驗證測試及使用，在同樣的設計系統中，客戶(hù)可以在更短時(shí)間內提升整機效率，降低散熱器設計要求和成本?？蛻?hù)也可以提高主開(kāi)關(guān)管的開(kāi)關(guān)頻率，選擇體積更小的電感進(jìn)行設計，以此減少電流諧波對電網(wǎng)的污染。