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1200V TRENCHSTOP IGBT7 H7單管性能分析及其在T型三電平拓?fù)渲械膽?yīng)用

發(fā)布時(shí)間:2023-06-26 來(lái)源:英飛凌 責(zé)任編輯:wenwei

【導(dǎo)讀】英飛凌TRENCHSTOP? IGBT7系列單管具有兩種電壓等級(jí)(650V&1200V)和三個(gè)系列(T7,S7,H7)。其中,H7系列單管針對(duì)光儲(chǔ)、UPS、EV charger、焊機(jī)等應(yīng)用進(jìn)行了專門(mén)的優(yōu)化,并配備了全電流EC7 rapid二極管。憑借極低的開(kāi)關(guān)損耗、導(dǎo)通損耗和豐富的產(chǎn)品系列,H7單管正在成為光伏和儲(chǔ)能應(yīng)用的新星。


產(chǎn)品特點(diǎn)


●  按照應(yīng)用需求去定義產(chǎn)品,去掉短路能力從而獲得更低的開(kāi)關(guān)損耗和導(dǎo)通損耗,如圖1所示。完美適配于不需要短路能力的光儲(chǔ)等應(yīng)用。


●  1200V H7系列有四種封裝,電流規(guī)格覆蓋40A-140A。其中140A的電流規(guī)格為市場(chǎng)首發(fā),如圖2所示。而英飛凌上一代1200V 高速單管HIGHSPEED3 H3的最大電流規(guī)格僅為75A。


●  1200V H7全系列配置全電流規(guī)格的EC7 Rapid二極管,適配整流工況。


●  更強(qiáng)的防潮和抗宇宙射線能力。


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圖1  英飛凌不同1200V單管的開(kāi)關(guān)損耗和導(dǎo)通損耗對(duì)比


產(chǎn)品系列


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圖2 1200V H7單管產(chǎn)品系列


標(biāo)注:TO247-4pin assymetric為開(kāi)爾文引腳、柵極引腳變細(xì)的TO247-4封裝,有助于避免連錫、加強(qiáng)絕緣性能。


TRENCHSTOP? IGBT7 H7與HIGHSPEED H3對(duì)比


1200V HIGHSPEED3 H3 IGBT針對(duì)高頻應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化,具有很短的拖尾電流和很小的關(guān)斷損耗;因?yàn)椴捎昧薚RENCHSTOP?技術(shù),其導(dǎo)通損耗也很低。因此,H3單管廣泛應(yīng)用于光伏、儲(chǔ)能、UPS等領(lǐng)域。而1200V H7單管更近一步,表現(xiàn)出更優(yōu)越的性能。


下圖為IKW40N120H3和IKW40N120CH7的在相同條件下的雙脈沖測(cè)試結(jié)果:


●  測(cè)試電壓:600V

●  測(cè)試電流:20A

●  測(cè)試溫度:室溫25°C

●  柵極電阻:10Ω


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圖3 H3開(kāi)通波形 @600V,20A,25°C


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圖4 H7開(kāi)通波形 @600V,20A,25°C


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圖5 H3關(guān)斷波形 @600V,20A,25°C


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圖6 H7關(guān)斷波形 @600V,20A,25°


分析雙脈沖結(jié)果可見(jiàn),H7系列單管具有更快的開(kāi)關(guān)速度,而且其開(kāi)通損耗比H3降低22.4%,關(guān)斷損耗降低了34.5%,且具有更短的拖尾電流。另外,規(guī)格書(shū)顯示,IKW40N120H7的Vce(sat)比IKW40N120CH3低25.9%。


由雙脈沖結(jié)果可知,1200V H7單管適用于光儲(chǔ)中的Boost、T型三電平、DCDC等高開(kāi)關(guān)頻率拓?fù)洹O旅嬉訲型三電平為例,通過(guò)PLECS軟件和英飛凌官網(wǎng)提供的PLECS模型進(jìn)行仿真:


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圖7 仿真拓?fù)洌篢型三電平


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工況:20kW、10%過(guò)載、Vout=380V、PF=1、fsw=18kHz、風(fēng)冷


在相同工況下,H7單管的導(dǎo)通損耗略低于H3,開(kāi)關(guān)損耗降低接近一半,較低的總損耗會(huì)使得散熱器的溫度降低。但H7芯片的面積比H3小,導(dǎo)致的較大熱阻不利于結(jié)溫的降低,盡管如此,H7單管的結(jié)溫仍然比H3單管低13.8°C。也就是說(shuō),可以用H7單管代替之前設(shè)計(jì)中的同電流規(guī)格H3單管,并獲得更高的結(jié)溫裕量。


隨著1200V H7單管電流規(guī)格的增大,其芯片面積增大,熱阻降低,帶來(lái)更好的性能。下面使用75A規(guī)格的IKQ75N120CH7與100A規(guī)格的IKQ100N120CH7分別應(yīng)用于30kW和40kW的T型三電平拓?fù)溥M(jìn)行仿真。


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工況:30kW、10%過(guò)載、380V輸出、PF=1、fsw=18kHz、風(fēng)冷


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工況:40kW、10%過(guò)載、Vout=380V輸出、PF=1、fsw=16kHz、風(fēng)冷


可見(jiàn),可以通過(guò)單顆大電流單管進(jìn)行更高功率逆變器的設(shè)計(jì),但是需要合理的散熱來(lái)解決單顆TO247PLUS封裝上高達(dá)80W的功耗。值得一提的是:對(duì)大電流的單管,降低其Rth(c-h)將獲得更大的收益。因?yàn)榇箅娏鲉喂艿腞th(c-h)占有更大比例。


1200V H7單管在光伏和儲(chǔ)能系統(tǒng)中的應(yīng)用


1200V H7系列單管完美適用于T型三電平的豎管。通常情況下,T型三電平的直流母線在700-850V之間,豎管需要選用1200V耐壓的IGBT;逆變器開(kāi)關(guān)頻率通常較高,同時(shí)其工作原理決定了開(kāi)關(guān)損耗占比較大,所以豎管需要具有低的開(kāi)關(guān)損耗;光伏逆變器要求支持±0.8的功率因數(shù),儲(chǔ)能逆變器要求達(dá)到-1的功率因數(shù),1200V H7系列單管配置的全電流規(guī)格EC7 Rapid二極管可以處理這種整流工況。為了增大IGBT出電流能力,50A至140A的1200V H7單管提供TO247PLUS封裝,在裝載更大面積芯片的同時(shí)提供了比TO247封裝具有更大的散熱焊盤(pán)。


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圖8 TO247-3 VS TO247PLUS-3


當(dāng)下,光伏逆變器降本壓力增大,越來(lái)越多的光伏逆變器企業(yè)開(kāi)始嘗試100kW及以上逆變器的大電流單管并聯(lián)解決方案。目前,英飛凌1200V H7單管的100A、120A、140A規(guī)格是其豎管的最優(yōu)解決方案。通過(guò)仿真和熱測(cè)試的評(píng)估發(fā)現(xiàn),兩并聯(lián)或三并聯(lián)方案配合良好的散熱設(shè)計(jì),1200V H7系列單管可以輕松實(shí)現(xiàn)100kW+的逆變器。


值得一提的是,對(duì)TO247PLUS-4封裝的單管,由于開(kāi)爾文射極的存在,驅(qū)動(dòng)回路電感減小,開(kāi)關(guān)速度增快;同芯片技術(shù)、同電流規(guī)格時(shí),其開(kāi)關(guān)損耗比TO247PLUS-3降低20%。這對(duì)光伏逆變器廠家沖擊更高功率規(guī)格的逆變器提供巨大幫助。但增快的開(kāi)關(guān)速度會(huì)增大IGBT的關(guān)斷電壓尖峰,需要注意功率回路雜感的優(yōu)化。


總結(jié) 


? 英飛凌1200V TRENCHSTOP7? IGBT7 H7系列單管具有多種電流規(guī)格、豐富的封裝形式、極低的開(kāi)關(guān)損耗、導(dǎo)通損耗,是光儲(chǔ)應(yīng)用中的優(yōu)選型號(hào)。


? 相較于英飛凌上一代1200V H3單管,H7單管具有更好的表現(xiàn),同電流規(guī)格的單管可以實(shí)現(xiàn)更大功率的機(jī)型。


? 多顆大電流H7單管并聯(lián)可以實(shí)現(xiàn)100kW及以上逆變器。


? 大電流單管應(yīng)用中降低Rth(c-h)會(huì)獲得更大收益。


作者:王藝軒

來(lái)源:英飛凌



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