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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
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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
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可再生能源发电
来源: 2010年Frost and Sullivan公司报告
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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)
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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
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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
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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/
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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
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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
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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
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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
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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℃
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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]
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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
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光伏逆变器的效率测试
• 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
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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]
FGH40N60SMD FGA40N65SMD best competitor
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光伏逆变器的效率测试
• 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]
FGH40N60SMD FGA40N65SMD best competitor
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%!
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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。
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飞兆半导体网站提供增值资源
• 请访问飞兆半导体节能、太阳能逆变器应用网页,以了解更多助您成功的解决方案。
• 网页提供可再生能源解决方案指引,应用指南,白皮书下载连结
• http://www.fairchildsemi.com/applications/solar-inverter/index.html
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谢谢您的出席!
飞兆半导体乐意为您的设计提供帮助
解决方案助您成功!
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