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飞兆半导体650V 场截止IGBT技术

助力设计人员实现高可靠度系统设计

飞兆半导体陈立烽技术副经理


议程

• 可再生能源和太阳能的未来发展

• 技术和市场展望/趋势

• 集中型逆变器拓扑(集中型最大功率点跟踪(MPPT)系统)• 太阳能逆变器应用的市场要求和设计挑战

• 飞兆半导体650V场截止平面IGBT技术助力设计人员开发具有更高电压阻断

能力的高可靠性系统

• 飞兆半导体新型IGBT与上一代产品和竞争厂商的产品比较

• 附录: • 飞兆半导体网站提供增值设计参考资源

• 可再生能源产品手册


可再生能源发电

来源: 2010年Frost and Sullivan公司报告


市场展望: 光伏逆变器

可再生能源 – 全世界光伏设备装机市场

• 尽管2011年出现需求调整，预计到2014年全球光伏逆变器市场将达到85亿美元，复合年均增长率将达到25%左右(IMS)

• 长远来看，日本的核问题将加速推动对可再生能源的需求，其中太阳能逆变器和风能将占较大比例。*10~20%的核电厂开发投资可能会转为可再生能源投资。 (*数据: Solar&Energy)


集中型逆变器拓扑(集中型MPPT系统)

• 在集中型逆变器系统中，最大功率点跟踪系统 (MPPT) 将来自成排太阳能光伏电池的直流输出(典型值为150V~1kV) 转换成交流电 (典型值1kW以上)。

•该拓扑的特点包括:1.单点故障会引发整个系统失效

2.可进行每个模块的单独维护

3.无直流布线、阻断二极管4.输入电压超过600V的产品需求增加

•三种最常用的拓扑1.升压转换器和全桥逆变器

a. 非隔离b. 其效率比隔离逆变器拓扑更

高2.全桥转换器和全桥逆变器

a. 与电网隔离的光伏模块b. 其效率比单级逆变器更低

3.升压转换器和三电平逆变器a. 用于更高的输入电压(700 V

DC)b. 其效率比两级逆变器更高c. 低成本输出滤波器


太阳能逆变器应用的技术趋势和设计挑战

► 市场趋势和要求

• 对于更高电压额定值和更低功耗的要求增加 (由于逆变器的输入电压范围变得更高)对从600V IGBT和SJ MOSFET移植到650V或以上电压器件的需求将增加

• SiC二极管和开关的采用速度将会越来越快，成为主要市场推动力量

• 主要厂商正在从分立器件转向模块，以便改善系统效率和可靠性

•今后五年内，80%以上的光伏逆变器市场将被模块解决方案占据

► 应用详情

• 主要拓扑：用于集中型系统的三电平逆变器(NPC)、用于微逆变器的交错反激+ unfolding逆变器


高成本效益的高效、可靠方案的元件选择

1. 元件的考虑• 成本• 尺寸• 总功耗• 可靠性

2. 热/散热管理

• 可靠性• 尺寸/重量

• 成本3. 损耗和寄生现象的最小化

• 系统性能• 总功耗

不论使用哪种拓扑，设计人员必须小心选择各个元件。要在性能、成本、可靠性和效率方面进行必要的改善，需要特别注意以下因素和其对整个系统的影响：

1. IGBT• 650V/40A, FGA40N65SMD• 650V/60A, FGA60N65SMD

2. MOSFET• 高电压• 中等电压

3. 高压栅极驱动器(HVIC)4. 高速低侧栅极驱动器5. 光隔离栅极驱动器6. 旁路和阻断二极管7. 高压碳化硅 [SiC]

更多方案请访问公司网站http://www.fairchildsemi.com/


效率比较

• 用于低压应用的三电平拓扑• 损耗分布在半导体器件上

• 随着开关频率的转换，损耗仅略有增加

• 可以改善逆变器效率并提高开关频率

• 在太阳能逆变器应用中，三电平拓扑得到业界关注

来源： PES Lab, ETH Zurich, presented at ECPE Workshop "Advanced Multilevel Converter Systems", Västeras, Sweden, September 28-29, 2010


更高的电压阻断能力

• 三级NPC拓扑不能很好地平衡直流链电压

• 即便采取合适的控制，直流链的正和负之间也无法达到动态平衡

• 启动时在低温条件下工作的应用具有更大的安全余量


650V IGBT

• 击穿电压在600V以上

• 重要的是将开关和传导损耗水平保持在与600V IGBT相同的水平

• 更高的阻断电压通常导致更高的Vce (sat) ，该电压会降低光伏逆变器应用

的性能。

• Vce (sat)和开关性能是折衷权衡的关系，保持低Vce (sat)可能增大开关

损耗。

• 开发650V IGBT 的关键是在折衷权衡曲线上找到最佳设计点


650V IGBT 特性

• 新型650V IGBT在典型工作温度和电流水平下的性能几乎相同

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.00

30

60

90

120

150

180

Ic [A

]

Vce(sat) [V]

FGH60N60SMD, 25deg FGA60N65SMD, 25deg FGH60N60SMD, 125deg FGA60N65SMD, 125deg

10 20 30 40 50 600.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

Ets [

mJ]

Ic [A]

FGH60N60SMD, 125deg FGA60N65SMD, 125deg FGH60N60SMD, 25deg FGA60N65SMD, 25deg


功率损耗分析

• 每个开关的估算功率损耗

• 高频开关(Q1, Q3)和电网频率开关(Q2, Q4)的电流波形

0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0

2

4

6

8

10

Pow

er D

issi

patio

n, P

d [W

]

Output Power, Po [kW]

FGH60N60SMD FGA60N65SMD

High freq. switch

Line freq. switch

* 计算条件: - 拓扑: 带混合开关频率通道的F/B逆变器 fs=17 kHz, Po=3kW- 输入直流电压: 400V, 输出电压: 220Vac, 电网频率: 60Hz, Tc=70℃


功率损耗分析

• 3kW下的详细损耗因素

10 15 20 25 30 35 40

35

40

45

Pow

er D

issi

patio

n, P

d [W

]

Switching Frequncy, fs [kHz]

FGH60N60SMD FGA60N65SMD

0.00

2.00

4.00

6.00

8.00

10.00

12.00

FGH60N60SMD(HF)

FGA60N65SMD(HF)

FGH60N60SMD(LF)

FGA60N65SMD(LF)

4.60 4.58

7.31 7.29

1.78 1.84

1.35 1.41

3.69 3.50

FG H 60N 60SM D FG A 60N 65SM D

C onduction Loss [W ] 4.60 4.58

Turn-on Loss [W ] 1.78 1.84

Turn-off Loss [W ] 1.35 1.41

Total Pd [W ] 7.73 7.83

C onduction Loss [W ] 7.31 7.29

Freew heeling Loss [W ] 3.69 3.50

Total Pd [W ] 11.00 10.79

18.73 18.62

H igh

Freq.

Low

Freq.

Total Pow er D issipation for a bridge [W ]

at Po= 3kW

高频电网频率

fs=17kHz

Freewheeling Loss [W]

Turn‐off Loss [W]

Turn‐on Loss [W]

Conduction Loss [W]


光伏逆变器的效率测试

• 逆变器规格

• 3kW输入功率的仿真器设置

MPPT Voltage Range 200 ~ 500 VDC

Norminal Input Voltage 400 VDC

Norminal Output Power 3000 W

Operating Output Voltage 220±13 VAC

Norminal Output Freq. 60±0.2 Hz

Norminal Efficiency Above 96% %

• 开关图形, 17kHz



• FGA60N65SMD的CEC加权效率

• FGH60N60SMD的CEC加权效率

0 500 1000 1500 2000 2500 300091

92

93

94

95

96

97

98

Effic

ienc

y [%

]

Input Power, Pin [W]

FGH60N60SMD FGA60N65SMDj Output

Power[W]PCEC,j /Pnom

CECcoefficient

MesauredEffi. Effi.CEC,j

1 300 10% 0.04 91.36 3.652 600 20% 0.05 95.03 4.753 900 30% 0.12 96.09 11.534 1500 50% 0.21 97.00 20.375 2250 75% 0.53 97.22 51.536 3000 100% 0.05 97.23 4.86

96.70

FG A 60N 65SM D

Calculated CEC Efficiency

j OutputPower[W]

PCEC,j /Pnom

CECcoefficient

MesauredEffi. Effi.CEC,j

1 300 10% 0.04 91.56 3.66

2 600 20% 0.05 95.11 4.76

3 900 30% 0.12 96.27 11.55

4 1500 50% 0.21 97.05 20.38

5 2250 75% 0.53 97.01 51.41

6 3000 100% 0.05 97.10 4.85

96.62Calculated CEC Efficiency

FG H 60N 60SM D


10 15 20 25 30 35 40

40

44

48

52

Pd_t

otal

[W]

(Tot

al L

oss

for 4

sw

itche

s)

Switching Frequency, fs [kHz]

FGH40N60SMD FGA40N65SMD best competitor

40A额定IGBT的更多分析

• 新型650V IGBT表现出最佳效率

高频电网频率

fs=20kHz

0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.098.5

98.6

98.7

98.8

98.9

99.0

99.1

Effic

ienc

y [%

](O

nly

cons

ider

ing

Pd_t

otal

)

Output Power, Po [kW]




• CEC加权效率

• EURO 加权效率 0 500 1000 1500 2000 2500 300091

92

93

94

95

96

97

98

Effi

cien

cy [%

]

Input Power, Pin [W]


FG H 40N 60SM D FG A 40N 65SM D best com petitor

j OutputPower[W]

PCEC,j /Pnom

CECcoefficient Effi.CEC,j Effi.CEC,j Effi.CEC,j

1 300 10% 0.04 3.97 3.97 3.962 600 20% 0.05 4.95 4.95 4.953 900 30% 0.12 11.87 11.87 11.874 1500 50% 0.21 20.75 20.76 20.755 2250 75% 0.53 52.30 52.33 52.316 3000 100% 0.05 4.93 4.93 4.93

98.77 98.81 98.77

CEC Efficiency

Calculated CEC Efficiency

FG H 40N 60SM D FG A 40N 65SM D best com petitor

j OutputPower[W]

PEURO,j /Pnom

EUROcoefficient Effi.EURO,j Effi.EURO,j Effi.EURO,j

1 150 5% 0.03 2.98 2.98 2.982 300 10% 0.06 5.95 5.95 5.953 600 20% 0.13 12.87 12.88 12.874 900 30% 0.1 9.89 9.90 9.895 1500 50% 0.48 47.42 47.44 47.426 3000 100% 0.2 19.72 19.73 19.72

98.83 98.86 98.83

EU RO Efficiency

Calculated EURO Efficiency

CEC 效率较最佳竞品提高0.04%！

※ CEC : 加州能源委员会

EURO效率较最佳竞品提高0.03%！


结论

• 新型650V场截止IGBT已成功开发，并在

光伏逆变器应用对其性能进行评测。

• 新型IGBT具有更高的电压阻断能力，无

需牺牲性能。系统设计人员在提高系统可靠性方面具有了更大的设计余量。

• 新型IGBT非常适合光伏逆变器应用，以

及其他要求更高阻断电压的功率转换系统。


飞兆半导体网站提供增值资源

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