如何利用快速开关的TRENCHSTOP™ 5 IGBT和SiC二极管搭建更小更轻的PFC

本文作者

作者：akbarsyeda

翻译：赵佳

紧凑的尺寸和不断降低的系统成本是电力电子设计的开发者一直追求的目标。现在，由于家用电器消耗的能量不断增加，从事此类应用的工程师还有一个目标：保持高功率因数（PF）。特别是空调，其额定功率为1.8kW或更大，是最耗电的设备之一。在这里，功率因数校正（PFC）是强制性的，对于PFC，设计者认为IGBT（绝缘栅双极型晶体管）是具有最高性价比的开关器件。

在PFC系统中，较低的开关频率增加了升压电感器的尺寸。因此，开发人员不能把它放在主电路板上。在这种情况下，电感器的价格不可避免地会很高，而且系统的外形尺寸也受到限制，使得其他设计目标几乎无法实现。此外，在安装或维护过程中可能发生短路（SC）事件，设计者倾向于选择具有短路耐受能力的IGBT。

为了保证短路能力，器件的Vce(sat)和开关性能都会降低。因此，通过提高开关频率将PFC电感器集成到主板上的需求持续上升。这样做将最大限度地减少系统的外形尺寸和重量，降低电感器的成本，并能使用高性能的IGBT。

高开关频率使电感量更小

有源PFC电路最常见的拓扑结构是一个boost升压转换器。对于大家电的功率因数校正，采用的是连续导通模式（CCM），由于较低的有效值电流和较少的谐波使得传导损耗比较低，这使得EMI滤波器的设计更容易。

当交流输入的瞬时值等于Vout/2时，CCM PFC升压转换器中的电感纹波达到最大值。然而，对于大功率CCM PFC来说，最小的交流输入电压Vac_min大约至少是180V，其峰值总是高于Vout/2。连续导通模式功率因数校正所需的电感量L通过以下公式计算：

电感越大，电流纹波就越小。但是，较大的电感会导致成本的增加。只要∆IL/2小于%ripple/2，PFC就能维持CCM运行。因此，有必要在成本和性能方面选择最佳电感量。图1显示了CCM PFC所需的电感量与开关频率的关系。图中显示，在较高的开关频率下，电感变得更小。一旦频率超过60kHz，电感就会足够小，可以放在主板上。

图1.Pout=2.5kW,Vac_min=180V条件下，电感量与开关频率的关系

英飞凌的TRENCHSTOP 5 WR5/WR6 IGBT系列在导通和开关特性方面都具有最佳性能。特别是，当该器件与SiC二极管作为互补开关使用时，开关损耗大大降低，从而能够在超过60kHz的高开关频率下运行。此外，该IGBT系列具有优化的单片集成二极管，适用于boost PFC应用，在这种应用中，高额定电流的反并联二极管是不经济的。IGBT的反并联二极管在CCM升压转换器的正常负载操作中不导通。但在瞬态或轻载条件下，反向电流会流经该器件，其量级非常小，而且只持续很短的时间。因此，反并联二极管的额定电流要求不是很高，所以集成在WR5/WR6 IGBT中的二极管足以满足这种非典型操作。这使得TRENCHSTOP 5 WR5/WR6 IGBT成为一个具有成本效益的选择。

为了验证这一解决方案的有效性，我们使用了TRENCHSTOP 5 WR5 IGBT系列中的IKW40N65WR5器件，并将其电气特性与CoolMOS P7 MOSFET（金属氧化物半导体场效应晶体管）的同等额定值进行了比较。

IGBT展现最佳性能

图2显示了IKW40N65WR5 IGBT、80mΩ CoolMOS P7 MOSFET以及竞争对手的最佳性能IGBT在开关频率为60kHz时的效率和热性能。

结果显示，在整个负载范围内，IKW40N65WR5 IGBT的效率和热性能都优于竞争对手的IGBT。

在IKW40N65WR5 IGBT和竞争对手的器件之间，最大温度差距超过23℃，在最大负载下，效率差距约为0.3%。此外，IKW40N65WR5 IGBT在约2kW及以上的情况下，显示出比同等的CoolMOS P7 MOSFET更好的散热和效率性能。相比之下，同等的CoolMOS P7 MOSFET在中低负载范围内的表现略好。

图2.IKW40N65WR5 IGBT,CoolMOS P7 MOSFET以及竞争对手最佳性能的40A IGBT在 fsw=60kHz下的效率及热性能测试结果

图2所示的结果表明，CoolMOS P7 MOSFET将是轻载条件的理想选择。对于大型电器，如空调，满载条件非常重要，考虑到成本和性能，TRENCHSTOP 5 WR5 IGBT显然是最佳选择。通过使用TRENCHSTOP 5 WR5 IGBT和一个SiC二极管，可以将PFC级的开关频率提高到60 kHz。这大大降低了所需的电感量，节省了重量和空间，使PFC电感直接安装在主板上成为可能。

此外，TRENCHSTOP 5 WR5 IGBT在高频运行中表现出的效率和热性能远远高于性能最好的竞争对手的器件。与同等的CoolMOS P7 MOSFET相比，IKW40N65WR5 IGBT在2kW左右及以上的情况下具有更高的效率和温度特性。