Hybrid IGBT在3.3 kW RAC图腾柱无桥PFC的应用.pdf
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1、380 2023中国家电科技年会论文集0 引言2020年7月1日,空调新能效标准1正式实施,对于空调研发企业来讲,标准没有最高,只有更高,如何降低损耗,提高能效,关乎企业存亡。电控板作为空调整机中的核心,其设计趋势必然备受关注,PFC功率级的小型化和高效率已是行业共识。小型化的关键是提高电控板PFC IGBT的开关频率,最近几年PFC IGBT的开关频率已经从最早的20 kHz,提高到了现在40 kHz、60 kHz或者更高。PFC高频化之后带来的好处是电感尺寸缩小,从原来笨重的硅钢片大电感变为小巧的可以在PCB板上安装的磁环电感,大大降低了物料成本和安装成本。但是,PFC高频化也会导致IGB
2、T的开关损耗增加,IGBT的结温随之急剧上升,带来的不仅仅是散热器尺寸增大,还有失效率的攀升。在3 HP的家用空调中,通常采用单Boost PFC拓扑,选择IGBT作为Boost主开关管,同时,搭配硅基快恢复二极管或者碳化硅二极管作为Boost升压二极管,其检测电路与控制保持和1 HP、1.5 HP 空调电控板一致,简单易用。然而,出于成本考虑,硅基快恢复二极管往往是第一选择,由于硅基二极管反向恢复电流的存在,直接导致IGBT的开通损耗急剧增加,研发工程师必须花费极大的精力去解决IGBT的温升问题,增大散热器尺寸并改善风道设计,以及解决为了优化温升表现而减小IGBT的门极电阻带来的EMC超标问
3、题。如何平衡高频(小型化)与高效之间的矛盾,已成为研发工程师必须解决的问题。提高PFC功率级的效率和降低功率器件温升,常见的做法有三种:选择开关性能更佳的元件,更换拓扑和软开关控制2-3。作者简介:伍堂顺(1982),男,硕士研究生,高级主任工程师。研究方向:中央空调,高频开关电源。E-mail:Bruce.wuI。Hybrid IGBT在3.3 kW RAC图腾柱无桥PFC的应用伍堂顺 王刚英飞凌半导体(深圳)有限公司 广东深圳 518048摘 要:为了解决3 HP家用空调PFC功率级IGBT和整流桥温升高以及散热器尺寸大的痛点,采用图腾柱无桥PFC,以混合IGBT IKZA50N65RH5
4、作为高频桥臂开关管,建立了CCM模式平均电流控制的图腾柱无桥PFC的PLECS仿真模型,并在3.3 kW、IGBT开关频率65 kHz的图腾柱无桥PFC评估板上实际测试获得了最高97.924%的效率,有效降低了IGBT的温升,提高了整机可靠性。关键词:3 HP家用空调;图腾柱无桥PFC;混合IGBT3.3 kW totem pole bridgeless PFC with hybrid IGBT in RAC applicationWU Tangshun WANG GangInfineon Technologies Shenzhen Co.,Ltd.Shenzhen 518048Abstrac
5、t:In order to solve the pain points of high temperature rising of IGBT and bridge rectifier,and large size of heatsink in 3 HP RAC,this paper proposed totem pole PFC with hybrid IGBT IKZA50N65RH5 as switch for high frequency leg,and built its CCM mode simulation model with average current control al
6、gorithm by PLECS,then got the highest efficiency 97.924%on 3.3 kW totem pole PFC evaluation board,and the switching frequency of IGBT was 65 kHz.It is helpful to decrease temperature rising of IGBT,improve system reliability.Keywords:3 HP RAC;totem pole bridgeless PFC;hybrid IGBT中图分类号:TM925.12 DOI:1
7、0.19784/ki.issn1672-0172.2023.99.086 3812023中国家电科技年会论文集如果仅仅是为了能够降低功率器件温升,是可以通过开关器件并联或者采用两相交错Boost PFC的方式,将单个功率器件的损耗降下来,从而降低器件的温升,但是,这将带来PCB面积的增加,散热器尺寸变大,系统BOM成本大幅增加,并且PFC功率级效率还有可能不高反低。在本文中,选择了将单Boost PFC拓扑替换为图腾柱无桥PFC4-5拓扑,同时将纯Si IGBT替换成Hybrid IGBT(文中后面统称混合IGBT)IKZA50N65RH56,基于PLECS仿真软件建立了CCM(Current
8、 Continuous Mode,电流连续模式)平均电流控制的图腾柱PFC模型,并在3.3 kW图腾柱无桥PFC评估板上实际测试获得了最高97.924%的效率。1 图腾柱无桥PFC和混合IGBT介绍1.1 图腾柱无桥 PFC 简介图1是图腾柱无桥PFC拓扑和其工作模态图。图1中,IGBT1和IGBT2是高频桥臂,D1和D2是工频桥臂。交流电压正半周时,IGBT2为主开关管,IGBT1及其体二极管作为升压二极管,D2保持导通;交流电压负半周时,IGBT1为主开关管,IGBT2及其体二极管作为升压二极管,D1保持导通。1.2 CCM模式下体二极管的反向恢复特性PFC根据电感电流是否连续分为三种模式
9、:断续模式(DCM)、连续模式(CCM)、临界连续模式(CRM)。对于3.3 kW的功率输出要求,CCM模式具有电感电流连续,纹波电流小,开关频率固定等优点,可以有效降低IGBT的开关损耗,所以,本文中采用了CCM模式。但是,结合图腾柱无桥PFC的工作模态,CCM模式下,高频桥臂中作为升压二极管的IGBT的硅基体二极管的反向恢复电流,如图2所示,IGBT开通上升沿的电流峰值几乎是稳态初始电流的3倍,导致主IGBT的开通损耗急剧增加,结温快速上升,失效风险增加,所以,高频桥臂的体二极管特性,是决定CCM模式图腾柱PFC可靠性的关键,也是缩减整机散热器尺寸的瓶颈。在一些高端应用上,通常采用SiC
10、MOSFET和GaN作为CCM模式下的高频桥臂的开关管,如图2所示,利用SiC二极管的极低反向恢复电流以及GaN的零反向恢复电流特性,来实现图腾柱无桥PFC的高效率。当然,也有用CoolMosTM MOSFET来实现CCM模式的图腾柱无桥PFC,见图3和文献7,通过在CoolMosTM MOSFET上并联pre-charge电路,成功地规避了硅基二极管的二极管反向恢复特性弱点,将CoolMosTM MOSFET用于CCM模式的图腾柱无桥PFC,图1 图腾柱无桥PFC拓扑及其工作模态a)图腾柱无桥PFC拓扑b)正半周工作模态c)负半周工作模态图2 SiC体二极管与硅基体二极管反向恢复电流对比图3
11、 CoolMosTM MOSFET上并联pre-charge的CCM图腾柱无桥PFC382 2023中国家电科技年会论文集并获得了最高效率98.9%的性能。1.3 混合 IGBT 简介如表1所示,作为第三代半导体,SiC MOSFET和GaN8-10的成本,家电应用基本只能望洋兴叹,CoolMosTM MOSFET在添加了pre-charge电路之后,电路的复杂性和成本,也非家电应用所能驾驭。所以,研究了一种既能解决体二极管的反向恢复问题,又同时兼顾了成本和控制复杂性的新器件Hybrid IGBT,中文名为混合IGBT。混合IGBT,顾名思义是将IGBT和SiC二极管封装一起,如图4所示,从而
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