【導讀】在消費電子市場(chǎng)高速發(fā)展的當下，IGBT（絕緣柵雙極晶體管）已成為現代家電設備中不可或缺的核心器件。憑借其優(yōu)異的開(kāi)關(guān)特性、低導通損耗及出色的熱管理能力，IGBT技術(shù)正持續推動(dòng)家電產(chǎn)品能效升級。安世半導體推出的650 V G3 IGBT平臺產(chǎn)品，通過(guò)性能優(yōu)化與可靠性提升，為家電設備的高效化、節能化發(fā)展提供了關(guān)鍵解決方案。
在消費電子市場(chǎng)高速發(fā)展的當下，IGBT（絕緣柵雙極晶體管）已成為現代家電設備中不可或缺的核心器件。憑借其優(yōu)異的開(kāi)關(guān)特性、低導通損耗及出色的熱管理能力，IGBT技術(shù)正持續推動(dòng)家電產(chǎn)品能效升級。安世半導體推出的650 V G3 IGBT平臺產(chǎn)品，通過(guò)性能優(yōu)化與可靠性提升，為家電設備的高效化、節能化發(fā)展提供了關(guān)鍵解決方案。
本文將聚焦家電設備的三大核心應用場(chǎng)景——電機拖動(dòng)、PFC（功率因數校正）電路及感應加熱，深入解析安世半導體650 V G3 IGBT平臺的技術(shù)優(yōu)勢及其在家電領(lǐng)域的實(shí)際應用價(jià)值。
1. 電機拖動(dòng)
1.1 電機拖動(dòng)在家電中的應用介紹
電機拖動(dòng)技術(shù)在家電應用中發(fā)揮著(zhù)至關(guān)重要的作用，通過(guò)精確控制電機，實(shí)現高效、智能和節能的運行。它不僅負責驅動(dòng)設備，還涉及能量的高效轉換，提升了整體性能。
在家電中，電動(dòng)機將電能轉換為機械能，以實(shí)現各種功能。例如，洗衣機中的 Motor Drive 調節電機的轉速和扭矩，以適應不同的洗滌模式，從而提高洗凈效果和降低噪音。借助高效的能量轉換機制，洗衣機能夠更快速地完成洗滌任務(wù)，同時(shí)減少水和電的消耗。在空調中，變頻電機通過(guò)智能調節壓縮機的轉速，根據室內溫度變化優(yōu)化制冷和制熱過(guò)程。而在吸塵器中，電機實(shí)現了吸力的精確調節，使得清潔過(guò)程既高效又安靜。
此外，電機拖動(dòng)系統能夠進(jìn)一步提升能量利用效率。例如，在某些電器中，制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的機械能可以被回收轉換為電能，供給其他設備使用。
通過(guò)這些應用，電機拖動(dòng)不僅提升了家電的性能和使用體驗，還促進(jìn)了節能減排的目標，使現代家居生活更加便捷、環(huán)保與智能。
圖 1：Motor in home appliance
在含有電機拖動(dòng)的家電應用中，最普遍的拓撲形式是三相全橋拓撲。三相全橋拓撲是一種常用于三相交流電機（如異步電機、永磁同步電機等）驅動(dòng)的電路配置。它由六個(gè)開(kāi)關(guān)器件（通常是 MOSFET 或 IGBT）組成，分別對應三相電機的三個(gè)繞組。三相全橋拓撲的基本工作原理是通過(guò)控制每一相的開(kāi)關(guān)狀態(tài)來(lái)實(shí)現對電機的轉動(dòng)方向和轉速的控制。具體來(lái)說(shuō)：
? 每相電機繞組都連接到兩個(gè)開(kāi)關(guān)器件，形成一定的電路。
? 通過(guò)交替導通不同的開(kāi)關(guān)，能夠產(chǎn)生在電機繞組之間的旋轉磁場(chǎng)，從而驅動(dòng)電機旋轉。
? 控制系統通過(guò) PWM 信號控制開(kāi)關(guān)器件的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，從而調節電機的速度和轉矩。
圖 2：Motor drive application diagram
在工業(yè)及家電應用中，三相全橋的開(kāi)關(guān)管的開(kāi)關(guān)頻率通常較低（<20kHz）。在這種情況下，開(kāi)關(guān)管的導通損耗通常占據總損耗的主導部分。由圖 3 可以看出，在給定條件下的電機拖動(dòng)應用中，IGBT 器件的損耗占比中最高的是導通損耗，占比 71.6%。使用低導通損耗的 IGBT 可以最大幅度提升系統效率和降低結溫，這對節能減排以及產(chǎn)品可靠性方面皆有好處。
圖 3：應用于電機拖動(dòng)中的 IGBT 器件損耗占比
1.2 安世半導體 650 V G3 IGBT 在電機拖動(dòng)中的應用性能
安世半導體的 650 V G3 M 系列中速 IGBT 管具有較低的導通損耗以及優(yōu)化的關(guān)斷損耗，非常適合較低開(kāi)關(guān)頻率（<20 kHz）的場(chǎng)合，例如電機拖動(dòng)。同時(shí) 175 度的工作結溫以及較小的熱阻保證了工作時(shí)的結溫余量。嚴苛的可靠性標準例如 HV- H3TRB 保證了器件在極端情況下的可靠運行。
較低的 Vcesat 與 Vf
以 NGW50T65M3DFP 中速管為例，遠低于競品的 Vcesat 以及 Vf 將助力降低電機拖動(dòng)應用中的損耗，從而保證更高的系統效率及更低的工作結溫，助力節能減排以及產(chǎn)品可靠性。
表 1：650 V G3 IGBT 單管產(chǎn)品系列 TO247-3L 封裝
表 2：650 V G3 IGBT 單管產(chǎn)品系列 D2PAK&TO220FP 封裝
圖 4：Vcesat——NGW50T65M3DFP v.s. 競品
圖 5：Vf——NGW50T65M3DFP v.s. 競品
高效率與低溫升
在 400 V 電機拖動(dòng)系統測試中，NGW40T65M3DFP 中速管被用于與競品對比在電機拖動(dòng)應用中的性能情況。在圖 6 中可以觀(guān)測到在不同輸出電流情況下，NGW40T65M3DFP 在不同相上都有更優(yōu)的熱表現。在圖 7 的系統效率 MAP 圖中可以看到，NGW40T65M3DFP 相比于競品，在不同轉速和扭矩下具有更大面積的高效率區域。
圖 6：電機系統中三相 IGBT 的殼溫表現
圖 7：電機系統效率 MAP 圖
圖 8：PFC 電路在功率回路的位置
2. PFC
2.1 PFC 在家電中的應用介紹
PFC（功率因數校正）電路在現代家電中起著(zhù)至關(guān)重要的作用，尤其是在電源設計方面。隨著(zhù)對能效和環(huán)保要求的提高，家電產(chǎn)品越來(lái)越關(guān)注功率因數的優(yōu)化，以減少電力損耗和提高電能使用效率。
功率因數是表征電氣設備能效的一個(gè)重要指標，表示有功功率（實(shí)際被用來(lái)做功的電力）與視在功率（供電系統的總電力）之間的比例。功率因數的提高可以降低電力損耗，提高電源的利用效率，并減少對電網(wǎng)的負擔。
PFC 電路有不同的拓撲實(shí)現形式，例如單相 CCM boost PFC、2 通道或 3 通道交錯 CCM PFC、圖騰柱 PFC、交錯圖騰柱 PFC 等，這些拓撲結構有其適用的功率范圍。以家用空調為例，5 kW 以下功率的家用空調中，單相 CCM boost PFC 和 2 通道的交錯 CCM PFC 比較普遍，開(kāi)關(guān)頻率通常在 30 kHz 以上，推薦使用安世半導體 H 系列 650V IGBT。
2.2 安世半導體 650 V G3 IGBT 在 PFC 中的應用性能
為進(jìn)一步評估 650 V G3 H 系列 IGBT 在 PFC 中的性能表現，以 NGW40T65H3DHP 為例在 5 kW 交錯 PFC 板上與競品進(jìn)行了對比測試。圖 9 為交錯 PFC 的拓撲電路。表 3 和表 4 分別顯示了測試中的競品信息以及測試條件。其中 C 競品為中速 IGBT 管，作為對照組。E 競品為逆導 IGBT。
圖 9：交錯 PFC 拓撲
較低的電壓過(guò)沖
當 IGBT 關(guān)斷時(shí)，由于功率回路雜感的存在，會(huì )在功率開(kāi)關(guān)兩端形成瞬時(shí)的電壓過(guò)沖。越低的電壓過(guò)沖會(huì )有更大的電壓安全裕量，從而減小系統的故障率，提升了穩定性。在 400 V 系統中，如果以 85% 的阻斷電壓（這里阻斷電壓是 650 V）定義為安全裕量邊界，那么 NGW40T65H3DHP 的電壓過(guò)沖遠在這之下，且僅略高于競品 C 的中速管。
圖 10：Vpeak - Vin @ 25℃ Full Load
優(yōu)異的 EMI 性能
在現代電力電子應用中，尤其是在電機驅動(dòng)、變頻器、開(kāi)關(guān)電源和家電設備中，功率器件（如 IGBT 和 MOSFET）的快速開(kāi)關(guān)能力是實(shí)現高效能和優(yōu)化性能的關(guān)鍵。然而，快速開(kāi)關(guān)也帶來(lái)了電磁干擾（EMI）的問(wèn)題，需要在設計和應用中加以重視。安世半導體 650 V G3 IGBT 具有優(yōu)異的 EMI 性能，為設計者直接替換開(kāi)關(guān)管而無(wú)需重新進(jìn)行 EMI 設計提供可能。圖 11 顯示了 NGW40T65H3DHP 與其他競品相比的 dV/dt（電壓變化率）表現。越低的 dV/dt 代表更優(yōu)的 EMI 性能?？梢钥闯?NGW40T65H3DHP 具有最優(yōu)的 EMI 性能，其 dV/dt 甚至略低于 C 競品的中速管。
圖 11：dV/dt 對比@full load@Tamb=55℃
均衡的系統效率
圖 12 顯示了 NGW40T65H3DHP 與其他競品在 55℃環(huán)境溫度下的系統效率對比。由于兼顧了電壓過(guò)沖和 EMI 性能，其在系統效率上的表現略微均衡。D 競品與 E 競品有著(zhù)最高的系統效率，但同時(shí)也有較高的電壓過(guò)沖和較遜色的 EMI 性能。
圖 12：Efficiency - Vin @ Tamb=55℃ Full load
優(yōu)異的熱性能
為了更為公平地對比結溫表現，利用 PLECS 軟件復現了測試電路及測試條件。并對功率器件建立熱模型。熱模型包括開(kāi)關(guān)損耗數據，導通損耗數據及熱阻網(wǎng)絡(luò )數據。其中，開(kāi)關(guān)損耗數據由實(shí)際測試中的波形計算而得。導通損耗和熱阻網(wǎng)絡(luò )數據源自規格書(shū)。圖 13 所示為得到開(kāi)關(guān)損耗數據表格的過(guò)程。圖 14 所示為相關(guān)仿真波形。
圖 13：繪制開(kāi)關(guān)損耗數據表格
圖 14：PLECS PFC 仿真波形
在實(shí)際測試中系統效率較高的 E 競品（也是客戶(hù)常用的型號） 被選為與 NGW40T65H3DHP 進(jìn)行損耗及結溫對比，結果如表 5 所示?？梢钥吹礁偲?E 相比 NGW40T65H3DHP 在損耗方面略有優(yōu)勢。但在平均結溫方面，NGW40T65H3DHP 有著(zhù) 9.8℃ 的優(yōu)勢，在最高結溫方面，有著(zhù) 18.5℃的優(yōu)勢。這標志著(zhù)更低的靜態(tài)熱阻以及更優(yōu)異的動(dòng)態(tài)熱響應。
表 5：競品 E 與 NGW40T65H3DHP 在 PLECS PFC 仿真中的損耗及結溫對比@Tamb=25℃
3. 感應加熱
3.1 感應加熱在家電中的應用
感應加熱是一種基于電磁感應原理的加熱技術(shù)，它通過(guò)在導體中產(chǎn)生渦流來(lái)實(shí)現快速加熱。近年來(lái)，感應加熱技術(shù)逐漸在家電領(lǐng)域得到了廣泛應用，特別是在廚房電器中，例如電磁爐、電飯煲、部分烤箱等。
感應加熱的基本原理是利用交變磁場(chǎng)對導電材料（如金屬）產(chǎn)生的提高溫度的渦流效應。當高頻電流通過(guò)感應線(xiàn)圈時(shí)，會(huì )在其周?chē)a(chǎn)生交變磁場(chǎng)。如果將具有電導率的材料放置在磁場(chǎng)中，會(huì )在材料內部產(chǎn)生渦流，從而產(chǎn)生熱量。感應線(xiàn)圈通常在拓撲中以諧振電感的形式存在，如圖 15 所示為半橋型感應加熱的拓撲圖，感應線(xiàn)圈與兩個(gè)諧振電容共同組成了諧振電路，兩個(gè)開(kāi)關(guān)管組成半橋驅動(dòng)諧振電路。通過(guò)調整開(kāi)關(guān)管的開(kāi)關(guān)頻率可以調整系統的輸出功率。
圖 15：半橋感應加熱拓撲
3.2 安世半導體 650 V G3 IGBT 在感應加熱中的應用性能較低的關(guān)斷損耗
用 PLECS 搭建一個(gè)半橋感應加熱的仿真電路，并為其設置了一些仿真參數（來(lái)自客戶(hù)），如表 4。
表 4：PLECS Induction heating 仿真條件
我們可以得到圖 16 的 IGBT 以及反并聯(lián)二極管的開(kāi)關(guān)波形?？梢杂^(guān)察到，在感應加熱應用中，IGBT 的電流在過(guò)零點(diǎn)時(shí)處于導通狀態(tài)，所以開(kāi)通損耗為零，只存在導通損耗和關(guān)斷損耗。這為安世半導體 650 V G3 IGBT 的應用創(chuàng )造了優(yōu)勢，因為其關(guān)斷損耗經(jīng)過(guò)優(yōu)化后可以維持在較低的水平。如圖 17 所示，在175℃的結溫條件下，NGW50T65H3DFP 的關(guān)斷損耗遠低于競品 Comp.1~Comp.3。
圖 16：PLECS Induction heating 波形
圖 17：雙脈沖測試 Eoff - Rg @50A@175℃
較低的損耗及結溫
如圖 18 所示為 NGW50T65H3DFP、Comp.1 與 Comp.3 在該仿真中所得出的不同開(kāi)關(guān)頻率下的損耗（Comp2. 未提供熱阻曲線(xiàn)數據故未納入仿真）?？梢钥闯?，雖然 NGW50T65H3DFP 這顆高速管在導通損耗方面與競品略有差距，但由于其優(yōu)異的開(kāi)關(guān)損耗，總損耗仍然為最低水平。并且由于其較低的熱阻，仿真結溫也為最低，如圖 19 所示。
圖 18：PLECS Induction heating, Powerloss - Fsw @Ta=50℃
圖19：PLECS Induction heating, Tj - Fsw@Ta=50℃
小結
綜上所述，安世半導體的 650 V G3 IGBT 在家電應用中的優(yōu)越性能顯著(zhù)提升了設備的效率和可靠性。在電機拖動(dòng)、PFC（功率因數校正）電路和感應加熱等三大主要領(lǐng)域，650 V G3 IGBT 展現了其在降低損耗、優(yōu)化熱管理和改善電磁干擾（EMI）方面的突出優(yōu)勢。通過(guò)合理設計和高性能集成，這款 IGBT 不僅提升了系統的整體效率，還確保了運行的穩定性和耐用性。其嚴格的可靠性標準也為在各種工作條件下的可靠運行提供了保障，將其定位為家電行業(yè)中現有設計的優(yōu)秀替代方案及新設計的理想選擇。憑借這些特性，安世半導體的 650 V G3 IGBT 為消費者的家電產(chǎn)品賦能，推動(dòng)了智能、節能和環(huán)保的現代家居生活，展示了其在未來(lái)市場(chǎng)中的廣闊前景。
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