IGBT 模塊在頗具挑戰(zhàn)性的逆變器應(yīng)用中提供更高能效

制造商和消費(fèi)者都在試圖擺脫對(duì)化石燃料能源的依賴，電氣化方案也因此廣受青睞。這對(duì)于保護(hù)環(huán)境、限制污染以及減緩破壞性的全球變暖趨勢(shì)具有重要意義。電動(dòng)汽車 (EV) 在全球日益普及，眾多企業(yè)紛紛入場(chǎng)，試圖將商用和農(nóng)業(yè)車輛 (CAV) 改造成由電力驅(qū)動(dòng)。

然而，這種轉(zhuǎn)變使得電能需求快速增長(zhǎng)，給電網(wǎng)帶來(lái)了極大的壓力。盡管能效很高，但電動(dòng)汽車、數(shù)據(jù)中心、熱泵等應(yīng)用仍需要大量能源才能運(yùn)行。

太陽(yáng)能、風(fēng)能、波浪能等新型可再生能源受到廣泛歡迎，正逐漸成為主流。只有完全使用可再生能源的應(yīng)用，才能被視為真正的“清潔”應(yīng)用。

太陽(yáng)能市場(chǎng)已經(jīng)發(fā)展多年，相對(duì)成熟。Fortune Business Insights 的報(bào)告顯示，目前太陽(yáng)能市場(chǎng)規(guī)模估計(jì)為 2730 億美元，到 2032 年有望增長(zhǎng)到 4360 億美元。2023年，北美太陽(yáng)能市場(chǎng)占比超過(guò)了 40%。

可再生能源應(yīng)用中的電源轉(zhuǎn)換挑戰(zhàn)

太陽(yáng)能發(fā)電量正在迅速增長(zhǎng)。國(guó)際能源署 (IEA) 的數(shù)據(jù)表明，2022 年，太陽(yáng)能產(chǎn)生的電力比上一年度增長(zhǎng) 26%，達(dá)到 1300 TWh。這標(biāo)志著太陽(yáng)能發(fā)電已超越風(fēng)電，成為最大的可再生電力來(lái)源。

太陽(yáng)能光伏 (PV) 板產(chǎn)生直流電 (DC)，而電網(wǎng)需要交流電 (AC)，因此中央光伏逆變器是大型并網(wǎng)裝置不可或缺的一部分。光伏板產(chǎn)生的所有能量都會(huì)經(jīng)過(guò)逆變器，因此逆變器效率具有重要影響。盡管太陽(yáng)能取之不盡，用之不竭，但轉(zhuǎn)換效率低下會(huì)導(dǎo)致輸送到電網(wǎng)的能量十分有限。過(guò)程中所浪費(fèi)的能量會(huì)轉(zhuǎn)化為熱量，進(jìn)而又會(huì)構(gòu)成嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，因?yàn)樵S多太陽(yáng)能裝置通常位于陽(yáng)光充沛、溫度較高的環(huán)境，如沙漠。

成本也是非常重要的考慮因素，可直接影響消費(fèi)者的電費(fèi)以及電力公司的盈利。為實(shí)現(xiàn)更高功率，許多中央逆變器并聯(lián)使用多個(gè)轉(zhuǎn)換模塊，具體數(shù)量由每個(gè)模塊的額定功率決定。每個(gè)模塊功率容量越高，所需模塊就越少，進(jìn)而可以降低成本。

盡管電動(dòng)汽車已經(jīng)取得了長(zhǎng)足進(jìn)步，但 CAV 在向電力驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)變方面仍進(jìn)展緩慢。CAV 體型較大，每次行駛消耗的燃料和產(chǎn)生的排放也更多，雖然數(shù)量上僅占汽車總量的 2%，但其溫室氣體排放量占交通運(yùn)輸排放總量的 28%。雖然商用客運(yùn)車（如公共汽車）的電動(dòng)化已經(jīng)初見(jiàn)成效，但大多數(shù)大型卡車、建筑機(jī)械和農(nóng)業(yè)車輛（如拖拉機(jī)）仍然依賴柴油驅(qū)動(dòng)?，F(xiàn)在，情況開(kāi)始發(fā)生變化。為達(dá)到歐盟、中國(guó)和美國(guó)加州等全球市場(chǎng)嚴(yán)格的零排放法規(guī)要求，預(yù)計(jì)到 2030 年，電動(dòng)卡車（純電和混合動(dòng)力）銷量占比將從目前的 5% 增加到 40%-50%。

相較于化石燃料商用車，電動(dòng)商用車結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單，運(yùn)動(dòng)部件更少。在載重能力相同的情況下，電動(dòng)車體積更小、可靠性更高、維護(hù)相關(guān)成本更低。目前電池成本大幅降低，電動(dòng) CAV 的總擁有成本已經(jīng)低于內(nèi)燃機(jī) (ICE) 車輛。

與太陽(yáng)能應(yīng)用類似，效率也是電動(dòng) CAV 的關(guān)鍵要求。每輛車的電池電量有限，逆變器中轉(zhuǎn)換過(guò)程的效率越高，車輛行駛距離就越長(zhǎng)?；蛐旭偼瑯拥木嚯x所需的電量就更少。

鑒于未來(lái)我們對(duì)太陽(yáng)能和電動(dòng) CAV 的依賴，可靠性自然也就變得非常重要。

面向逆變器應(yīng)用的先進(jìn)電源技術(shù)

在三相太陽(yáng)能光伏逆變器等的高功率應(yīng)用中，三電平有源中性點(diǎn)箝位 (ANPC) 轉(zhuǎn)換器是比較常見(jiàn)的拓?fù)?。這種多電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)專門(mén)用于提升系統(tǒng)的性能和效率。

普通中性點(diǎn)箝位 (NPC) 轉(zhuǎn)換器使用二極管將直流鏈路電容的中性點(diǎn)連接到輸出端。在 ANPC 配置（圖 1）中，箝位由開(kāi)關(guān)執(zhí)行，因此能夠改善控制、減少開(kāi)關(guān)損耗并提高效率，并且能相應(yīng)地減少對(duì)散熱措施的需求，從而有助于實(shí)現(xiàn)尺寸更小、成本更低的方案。

拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的布置方式降低了各個(gè)開(kāi)關(guān)上的電壓應(yīng)力，從而提高了可靠性。此外，ANPC 還能實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)有利的波形。

圖 1：可利用模塊輕松構(gòu)建 ANPC 轉(zhuǎn)換器

設(shè)計(jì)工程師可以通過(guò)并聯(lián)多個(gè)功率模塊，例如安森美 (onsemi) 的 QDual 3 IGBT 模塊，創(chuàng)建高性能三電平有源中性點(diǎn)箝位模塊，其系統(tǒng)輸出功率可達(dá) 1.6 MW 至 1.8 MW。

圖 2：QDual3 IGBT 模塊

QDual 3 模塊集成了新一代 1200 V 場(chǎng)截止 7 (FS7) IGBT 和二極管技術(shù)，可為大功率應(yīng)用提供更優(yōu)異的性能。與前幾代產(chǎn)品相比，F(xiàn)S7 技術(shù)顯著改善了導(dǎo)通損耗。

圖 3：FS7 技術(shù)增強(qiáng)了關(guān)鍵性能參數(shù)

在 FS7 IGBT 工藝中，溝槽窄臺(tái)面帶來(lái)了低 VCE(SAT) 和高功率密度，而質(zhì)子注入多重緩沖確保了穩(wěn)健性和軟開(kāi)關(guān)特性（圖 2）。安森美中速 FS7 器件的 VCE(SAT)低至 1.65V，適用于運(yùn)動(dòng)控制應(yīng)用；而其 FS7 快速產(chǎn)品的 EOFF 僅 57 μJ/A，是太陽(yáng)能逆變器和 CAV 等高功率應(yīng)用的理想選擇。

圖 4：FS7 IGBT 尺寸更小，功率密度更高

創(chuàng)新型 FS7 技術(shù)使新型 QDual3 模塊中的芯片尺寸比上一代縮小了 30%（圖 3）。這種小型化與先進(jìn)的封裝相結(jié)合，可以顯著提高最大額定電流。在工作溫度高達(dá) 150 攝氏度的電機(jī)控制應(yīng)用中，QDual3 的輸出功率為 100 kW 至 340 kW，比目前市場(chǎng)上的其他產(chǎn)品高出大約 12%。

可靠性是太陽(yáng)能和 CAV 應(yīng)用的關(guān)鍵，因此模塊的構(gòu)造和測(cè)試方式至關(guān)重要。例如，目前有許多類似方案使用引線鍵合方式來(lái)固定端子，而安森美則選擇采用超聲波來(lái)焊接模塊。后者有助于增強(qiáng)電流承載能力，提供更優(yōu)散熱路徑，并且比前者更為堅(jiān)固（圖 4）。

圖 5：超聲波焊接可降低溫度并增強(qiáng)可靠性

這種方法可以提高電導(dǎo)率，從而減少電力損失、提升效率。此外還能降低工作溫度、增強(qiáng)機(jī)械剛度，以及提高模塊的整體可靠性。

安森美的新型高功率 QDual3 技術(shù)

專用 QDual 3 半橋 IGBT 模塊NXH800H120L7QDSG 適用于中央太陽(yáng)能逆變器、儲(chǔ)能系統(tǒng)(ESS)、不間斷電源(UPS)；而 SNXH800H120L7QDSG 則適用于 CAV。這兩款器件均基于 FS7 技術(shù)打造，VCE(SAT)和 EOFF有所改進(jìn)，進(jìn)而降低了損耗、提高了能效。

目前，若使用 600 A IGBT 模塊以 ANPC/INPC 架構(gòu)來(lái)設(shè)計(jì) 1.725 MW 逆變器，總共將需要 36 個(gè)模塊。然而，若使用額定工作電流為 800 A 的新型 NXH800H120L7QDSG 和 SNXH800H120L7QDSG，設(shè)計(jì)所需模塊數(shù)量將減少 9 個(gè)。相應(yīng)地，設(shè)計(jì)的尺寸、重量和成本將節(jié)省 25%。這對(duì)于太陽(yáng)能應(yīng)用和 CAV 應(yīng)用來(lái)說(shuō)都非常有價(jià)值，因?yàn)橹亓繙p輕和效率提高，將使得車輛行駛里程有所增加。

圖 6：更大的電流能力支持使用更少的模塊來(lái)構(gòu)建系統(tǒng)

這些模塊包含用于熱管理的隔離底板和集成的 NTC 熱敏電阻，并支持通過(guò)可焊接引腳將模塊直接安裝到 PCB 上，采用行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)布局，有助于輕松將現(xiàn)有設(shè)計(jì)升級(jí)到新型 QDual3 技術(shù)。

安森美的所有 QDual3 模塊均經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的可靠性測(cè)試，其可靠性水平超過(guò)市場(chǎng)上的其他同類器件。我們的濕度測(cè)試要求產(chǎn)品承受 960V 偏壓長(zhǎng)達(dá) 2000 小時(shí)，而同類器件僅需承受 80V 偏壓 1000 小時(shí)。振動(dòng)測(cè)試對(duì)于 CAV 應(yīng)用至為關(guān)鍵，我們的產(chǎn)品在 30 G 峰值/10G RMS 條件下進(jìn)行了長(zhǎng)達(dá) 22 小時(shí)的測(cè)試，可滿足 AQG324 要求。其他器件則是在振動(dòng)水平低至 5 G 的條件下進(jìn)行測(cè)試，持續(xù)時(shí)間短至 1 小時(shí)。

總結(jié)

全世界的可再生能源使用率越來(lái)越高，電網(wǎng)正承受著巨大壓力。太陽(yáng)能發(fā)電已經(jīng)發(fā)展成熟，2022 年更是超過(guò)風(fēng)電，成為可再生電力的主要來(lái)源。

盡管化石燃料驅(qū)動(dòng)的車輛仍是主要的污染源，但 CAV 的電氣化正在穩(wěn)步推進(jìn)，目前已初見(jiàn)成效。

安森美 FS7 等新型半導(dǎo)體技術(shù)支持開(kāi)發(fā)低損耗、大功率器件，以滿足這些領(lǐng)域的效率和可靠性需求。基于這項(xiàng)技術(shù)，安森美的新型 QDual3 器件采用緊湊封裝，可實(shí)現(xiàn)高功率密度和出色能效。焊接良好的端子和超越業(yè)內(nèi)其他器件的認(rèn)證測(cè)試助力保障 QDual3 器件的穩(wěn)健性能。

新一代 NXH800H120L7QDSG 和 SNXH800H120L7QDSG 模塊電流能力高達(dá) 800 A，得益于此，逆變器設(shè)計(jì)所需的模塊可減少 25%，并能夠進(jìn)一步簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)、減小其體積、質(zhì)量并降低成本。

這無(wú)疑是一項(xiàng)重大進(jìn)展，安森美將繼續(xù)潛心鉆研 FS7 技術(shù)的高性能潛力，力求推出更多超越現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)的模塊，從而滿足太陽(yáng)能行業(yè)和 CAV 制造商不斷增長(zhǎng)的需求。