【導讀】緊湊的尺寸和不斷降低的系統成本是電力電子設計的開(kāi)發(fā)者一直追求的目標?，F在，由于家用電器消耗的能量不斷增加，從事此類(lèi)應用的工程師還有一個(gè)目標：保持高功率因數(PF)。特別是空調，其額定功率為1.8kW或更大，是最耗電的設備之一。在這里，功率因數校正(PFC)是強制性的，對于PFC，設計者認為IGBT(絕緣柵雙極型晶體管)是具有最高性?xún)r(jià)比的開(kāi)關(guān)器件。
緊湊的尺寸和不斷降低的系統成本是電力電子設計的開(kāi)發(fā)者一直追求的目標?，F在，由于家用電器消耗的能量不斷增加，從事此類(lèi)應用的工程師還有一個(gè)目標：保持高功率因數(PF)。特別是空調，其額定功率為1.8kW或更大，是最耗電的設備之一。在這里，功率因數校正(PFC)是強制性的，對于PFC，設計者認為IGBT(絕緣柵雙極型晶體管)是具有最高性?xún)r(jià)比的開(kāi)關(guān)器件。
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在PFC系統中，較低的開(kāi)關(guān)頻率增加了升壓電感器的尺寸。因此，開(kāi)發(fā)人員不能把它放在主電路板上。在這種情況下，電感器的價(jià)格不可避免地會(huì )很高，而且系統的外形尺寸也受到限制，使得其他設計目標幾乎無(wú)法實(shí)現。此外，在安裝或維護過(guò)程中可能發(fā)生短路(SC)事件，設計者傾向于選擇具有短路耐受能力的IGBT。
為了保證短路能力，器件的Vce(sat)和開(kāi)關(guān)性能都會(huì )降低。因此，通過(guò)提高開(kāi)關(guān)頻率將PFC電感器集成到主板上的需求持續上升。這樣做將最大限度地減少系統的外形尺寸和重量，降低電感器的成本，并能使用高性能的IGBT。
高開(kāi)關(guān)頻率使電感量更小
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有源PFC電路最常見(jiàn)的拓撲結構是一個(gè)boost升壓轉換器。對于大家電的功率因數校正，采用的是連續導通模式(CCM)，由于較低的有效值電流和較少的諧波使得傳導損耗比較低，這使得EMI濾波器的設計更容易。
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當交流輸入的瞬時(shí)值等于Vout/2時(shí)，CCM PFC升壓轉換器中的電感紋波達到最大值。然而，對于大功率CCM PFC來(lái)說(shuō)，最小的交流輸入電壓Vac_min大約至少是180V，其峰值總是高于Vout/2。連續導通模式功率因數校正所需的電感量L通過(guò)以下公式計算：
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電感越大，電流紋波就越小。但是，較大的電感會(huì )導致成本的增加。只要?IL/2小于%ripple/2，PFC就能維持CCM運行。因此，有必要在成本和性能方面選擇最佳電感量。圖1顯示了CCM PFC所需的電感量與開(kāi)關(guān)頻率的關(guān)系。圖中顯示，在較高的開(kāi)關(guān)頻率下，電感變得更小。一旦頻率超過(guò)60kHz，電感就會(huì )足夠小，可以放在主板上。
圖1.Pout=2.5kW,Vac_min=180V條件下，電感量與開(kāi)關(guān)頻率的關(guān)系
英飛凌的TRENCHSTOP? 5 WR5/WR6 IGBT系列在導通和開(kāi)關(guān)特性方面都具有最佳性能。特別是，當該器件與SiC二極管作為互補開(kāi)關(guān)使用時(shí)，開(kāi)關(guān)損耗大大降低，從而能夠在超過(guò)60kHz的高開(kāi)關(guān)頻率下運行。此外，該IGBT系列具有優(yōu)化的單片集成二極管，適用于boost PFC應用，在這種應用中，高額定電流的反并聯(lián)二極管是不經(jīng)濟的。IGBT的反并聯(lián)二極管在CCM升壓轉換器的正常負載操作中不導通。但在瞬態(tài)或輕載條件下，反向電流會(huì )流經(jīng)該器件，其量級非常小，而且只持續很短的時(shí)間。因此，反并聯(lián)二極管的額定電流要求不是很高，所以集成在WR5/WR6 IGBT中的二極管足以滿(mǎn)足這種非典型操作。這使得TRENCHSTOP? 5 WR5/WR6 IGBT成為一個(gè)具有成本效益的選擇。
為了驗證這一解決方案的有效性，我們使用了TRENCHSTOP? 5 WR5 IGBT系列中的IKW40N65WR5器件，并將其電氣特性與CoolMOS? P7 MOSFET(金屬氧化物半導體場(chǎng)效應晶體管)的同等額定值進(jìn)行了比較。
IGBT展現最佳性能
圖2顯示了IKW40N65WR5 IGBT、80mΩ CoolMOS? P7 MOSFET以及競爭對手的最佳性能IGBT在開(kāi)關(guān)頻率為60kHz時(shí)的效率和熱性能。
結果顯示，在整個(gè)負載范圍內，IKW40N65WR5 IGBT的效率和熱性能都優(yōu)于競爭對手的IGBT。
在IKW40N65WR5 IGBT和競爭對手的器件之間，最大溫度差距超過(guò)23℃，在最大負載下，效率差距約為0.3%。此外，IKW40N65WR5 IGBT在約2kW及以上的情況下，顯示出比同等的CoolMOS? P7 MOSFET更好的散熱和效率性能。相比之下，同等的CoolMOS? P7 MOSFET在中低負載范圍內的表現略好。
圖2.IKW40N65WR5 IGBT,CoolMOS? P7 MOSFET以及競爭對手最佳性能的40A IGBT在 fsw=60kHz下的效率及熱性能測試結果
圖2所示的結果表明，CoolMOS? P7 MOSFET將是輕載條件的理想選擇。對于大型電器，如空調，滿(mǎn)載條件非常重要，考慮到成本和性能，TRENCHSTOP? 5 WR5 IGBT顯然是最佳選擇。通過(guò)使用TRENCHSTOP? 5 WR5 IGBT和一個(gè)SiC二極管，可以將PFC級的開(kāi)關(guān)頻率提高到60 kHz。這大大降低了所需的電感量，節省了重量和空間，使PFC電感直接安裝在主板上成為可能。
此外，TRENCHSTOP? 5 WR5 IGBT在高頻運行中表現出的效率和熱性能遠遠高于性能最好的競爭對手的器件。與同等的CoolMOS? P7 MOSFET相比，IKW40N65WR5 IGBT在2kW左右及以上的情況下具有更高的效率和溫度特性。
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