近年來，為進(jìn)一步實現(xiàn)電力轉(zhuǎn)換裝置的小型輕量化和高效化，需要在高頻區(qū)域進(jìn)行電力轉(zhuǎn)換的應(yīng)用日益增多，這就要求開關(guān)器件速度更快和損耗更低。富士電機將高頻區(qū)域下，損耗低的高速IGBT和SiC-SBD相結(jié)合，開發(fā)了高速混合型模塊，實現(xiàn)了開關(guān)損耗的大幅降低。其結(jié)果，變頻器在高頻運行時產(chǎn)生的損耗與以往相比可降低約50%，有望用于要求小型輕量化及高效化的應(yīng)用中。
1.高速混合型模塊的概述
圖1是功率器件的開關(guān)頻率和電力容量的應(yīng)用情況。高速混合型模塊的主要應(yīng)用在于可再生能源設(shè)備、車載相關(guān)設(shè)備、不間斷電源裝置（UPS：Uninterruptible Power System）等電力轉(zhuǎn)換裝置，需要在高頻率下進(jìn)行電力轉(zhuǎn)換。
圖1 高速混合型模塊的主要應(yīng)用
表1是高速混合型模塊的外觀，表2是高速混合型模塊的產(chǎn)品系列。在高速混合型模塊中，采用了和以往Si模塊相同的封裝保持了兼容性，電路結(jié)構(gòu)是高速IGBT和SiC-SBD相結(jié)合的2in1電路。IGBT方面以現(xiàn)有的IGBT為基礎(chǔ)，采用最適合進(jìn)行高速開關(guān)的芯片，F(xiàn)WD（Free Wheeling Diode）方面采用了SiC-SBD芯片。
表1 高速混合型模塊
表2 高速混合型模塊的產(chǎn)品系列
2.高速混合型模塊的特點
為了實現(xiàn)通過高速開關(guān)促進(jìn)裝置的小型化與高效化，改善IGBT模塊產(chǎn)生的損耗十分重要。模塊產(chǎn)生的損耗與IGBT和FWD等半導(dǎo)體芯片的特性存在密切關(guān)系。因此，本章將對高速開關(guān)用高速IGBT和SiC-SBD芯片的特性進(jìn)行介紹。
▋2.1 高速IGBT 產(chǎn)生的關(guān)斷損耗的改善
圖2是1200V高速IGBT的集電極、發(fā)射極飽和電壓VCE（sat）-關(guān)斷損耗Eoff的均衡特性。高速IGBT的規(guī)格是以現(xiàn)有的IGBT為基礎(chǔ)，大幅降低寄生容量的活性區(qū)和抑制空穴注入的集電極層降低雜質(zhì)濃度，與第7代“X系列”的IGBT相比，可減少關(guān)斷損耗，并令VCE（sat）-Eoff均衡特性適應(yīng)高速開關(guān)。
圖2 1200V高速IGBT的VCE（sat）-Eoff特性
圖3是額定1200V/200A的高速混合型模塊和X系列Si模塊的關(guān)斷波形的比較。高速混合型模塊大幅改善了關(guān)斷時的拖尾電流，與X系列Si模塊相比，關(guān)段損耗Eoff降低了33%。
圖3 關(guān)斷波形
▋2.2 SiC-SBD的反向恢復(fù)損耗和開通損耗的改善
圖4是額定1200V/200A的高速混合型模塊和X系列Si模塊的反向恢復(fù)波形的比較。高速混合型模塊的反向恢復(fù)電流的峰值減小了約60%。這是由于SiC-SBD是一種單極元件、不存在少數(shù)載流子的注入。高速混合型模塊的反向恢復(fù)損耗Err，和X系列的Si模塊相比降低了92%。
圖4 反向恢復(fù)波形
另外，F(xiàn)WD中反向恢復(fù)電流的峰值，被反映到了對臂側(cè)的IGBT的開通電流峰值中。如減小反向恢復(fù)電流的峰值，則開通電流的峰值也會變小，因此可降低開通損耗。圖5是額定1200V/200A的高速混合型模塊和X系列Si模塊的開通波形的比較。和反向恢復(fù)波形一樣，開通電流峰值減小了約60%，表現(xiàn)出了SiC-SBD的優(yōu)秀特點。高速混合型模塊的開通損耗Eon，和X系列Si模塊相比降低了84%。
圖5 開通波形
▋2.3 開關(guān)損耗降低效果
表3是高速混合型模塊和X系列Si模塊的損耗比較表。與X系列Si模塊相比，高速IGBT和SiC-SBD相結(jié)合的高速混合型模塊實現(xiàn)了總損耗大幅降低了66%。
表3 開關(guān)損耗比較
3.高速混合型模塊的效果
下面以M276封裝的額定1200V/200A的產(chǎn)品為例，對搭載了該模塊的分散型小型功率調(diào)節(jié)器（PCS：Power Conditioning System）的變頻器損耗和芯片結(jié)合溫度進(jìn)行介紹。
圖6是變頻器損耗的仿真結(jié)果。在開關(guān)頻率達(dá)20kHz以上的高頻領(lǐng)域內(nèi)，在搭載了高速混合型模塊的變頻器產(chǎn)生的損耗中，IGBT的導(dǎo)通損耗Psat由于VCE（sat）較高，與搭載了X系列Si模塊時相比有少許增加，但開關(guān)損耗大幅降低。
最終結(jié)果，總損耗可降低50%。另外，提高開關(guān)頻率后總損耗降低的比率增高，有助于通過變頻器的高頻運行實現(xiàn)高效運轉(zhuǎn)及小型化。
圖6 基于仿真的變頻器損耗的比較
圖7是搭載于變頻器時的芯片接合溫度。在開關(guān)頻率為20kHz時，高速混合型模塊的芯片接合溫度與搭載X系列Si模塊時相比，IGBT約低18℃，F(xiàn)WD約低19℃，因此變頻器高頻運行時可增大輸出電流。
圖7 搭載變頻器時的芯片接合溫度
4.對電力轉(zhuǎn)換裝置的幫助
圖8是電感器體積和開關(guān)頻率的依存性。當(dāng)開關(guān)頻率達(dá)到30kHz的高頻率時，與10kHz時相比，電感器體積可減小約50%。通過高速開關(guān)使電感器等被動型元器件小型化，可實現(xiàn)裝置整體的小型化，有望降低成本。
圖8 電感器體積和開關(guān)頻率的依存性
圖9是PCS中使用高速混合型模塊的應(yīng)用實例，圖10是UPS中使用高速混合模塊的應(yīng)用實例。分布式太陽能發(fā)電的普及要求PCS的小型輕量化。而在服務(wù)器與數(shù)據(jù)中心，為了保證高可靠性，需要并聯(lián)冗余式UPS。在并聯(lián)冗余構(gòu)成方式中，由于使用了多個UPS，要求裝置的小型化。通過搭載高速混合型模塊，體積與重量都很大的電感器或電容器等濾波電路，在高頻率下實現(xiàn)了小型化，因此可幫助實現(xiàn)裝置的小型輕量化。此外，由于高頻領(lǐng)域下的損耗低，有望實現(xiàn)電力轉(zhuǎn)換效率的提升。
圖9 使用高速混合型模塊的PCS的電源結(jié)構(gòu)
圖10 使用高速混合型模塊的UPS的電源結(jié)構(gòu)
圖11是將高速混合型模塊用于焊接機所使用的電力轉(zhuǎn)換裝置的應(yīng)用實例。在焊接機、等離子切割機、感應(yīng)加熱（IH）等高頻絕緣方式的電子轉(zhuǎn)換裝置中，為了將變壓器部分小型化，需要高速開關(guān)。在這些應(yīng)用中為了實現(xiàn)高速開關(guān)的低損耗及低干擾，采用了諧振電路方式。該電路方式以20kHz以上的高速開關(guān)驅(qū)動，因此通過使用高速混合型模塊，可實現(xiàn)電力轉(zhuǎn)換裝置的小型化、高效化。
另外，在具有小型輕量化及高效化要求的X光等的醫(yī)療器械電源、EV的快速充電器，以及燃?xì)廨啓C等場景的應(yīng)用也令人期待。
圖11 使用高速混合型模塊的焊接機的電源結(jié)構(gòu)
以上對高速IGBT和SiC-SBD相結(jié)合的高速混合型模塊進(jìn)行介紹。通過使用高速IGBT和SiC-SBD降低開通損耗，從而實現(xiàn)了高頻運行下的損耗降低。
以高頻率進(jìn)行電力轉(zhuǎn)換的應(yīng)用不斷增多，富士電機今后將進(jìn)一步推動低損耗化，開發(fā)迎合市場需求的產(chǎn)品，對節(jié)能事業(yè)做出貢獻(xiàn)。
