Hybrid IGBT在3.3 kW RAC图腾柱无桥PFC的应用.pdf

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IGBT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 518048Abstract: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 algorithm 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:10.19784/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 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：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 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 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，从而兼顾了IGBT的高性价比以及SiC二极管的高速以及极低的反向恢复电流的优势，为硬开关应用提供了最佳性能，在硅基解决方案的较低性能和全碳化硅解决方案的较高成本之间实现了平衡。表1 各功率器件用于图腾柱PFC的特性对比主要参数GaNSiC MOSFETCool MOSTMHybrid IGBT二极管Qrr近似为0非常小大非常小易用性散热器安装困难，驱动电路要求高即插即用即插即用，但需增加pre-charge电路即插即用成本高高高中 图4 混合IGBT及其TO247-3、TO247-4封装英飞凌650 V混合IGBT单管目前有40 A、50 A和75 A三种规格可选，见表2，RH5系列混合IGBT内置半额定电流SiC二极管，同时，其内部的TRENCHSTOP H5 IGBT开关速度快，关断损耗低，非常适用于30 kHz以上到100 kHz左右的高频应用场合。表2 英飞凌650 V混合IGBT型号及封装IGBT电流ICnom100(A)SiC二极管电流Ifnom100(A)TO247-3pinTO247-4pinIGBT H5+半电流SiC二极管4016IKW40N65RH5IKZA40N65RH55020IKW50N65RH5IKZA50N65RH57530IKW75N65RH5IKZA75N65RH5 另外，为进一步优化IGBT的开关损耗，推荐采用TO247-4的封装，驱动回路的发射极与功率回路的发射极分离，可加速驱动电压的上升速率和下降速率，缩减IGBT的开通时间和关断时间，从而减小IGBT的整体开关损耗。在本文中亦选择了TO247-4封装的IKZA50N65RH5作为高频桥臂开关管，在壳温为100 时，其并联SiC二极管的额定电流为22.8 A。2 仿真模型和仿真结果2.1 PLECS 仿真模型结合3 HP家用空调的实际应用需求，基于仿真软件PLECS建立了CCM平均电流控制的图腾柱无桥PFC的模型，考虑到家电应用对成本非常敏感，故而本文中的工频桥臂采用了整流桥二极管。仿真条件如下：输入交流电压范围：50 Hz、176 Vacrms-264 Vacrms、185 Vacrms时满载输出；输出电压和功率：400 Vdc、3300 W；高频桥臂开关频率：65 kHz；门极电阻：18；固定散热器温度：85；输出电压纹波系数：5%；电感电流纹波系数：0.2。表达式（1）和（2）中，D(t)是开关管的实时占空比函数，L(t)是PFC电感值函数，交流电网频率是 f，最小交流输入电压有效值Vinmin，IGBT开关频率是fs。（1）（2）根据表达式（2）以及图6的电感值曲线，可以得到，CCM模式下PFC电感值最好大于等于300 H。图5 半周期交流输入电压和IGBT占空比曲线图6 PFC电感值函数曲线 3832023中国家电科技年会论文集2.2 仿真波形和结果把前面的工况条件和元件参数都带入PLECS电路仿真模型，运行后即可得到图腾柱PFC的主要电压、电流波形和功率器件的损耗、结温数据。图8 a)是图腾柱PFC中交流输入电压和电流的波形，可以看出，交流输入电流完美跟随交流输入电压，也无过零点畸变，从图7中也可以看到此工况下THDi仅为5.38%，充分说明电路仿真模型构建准确，仿真数据可以指导样机开发验证。图9是此工况下高频桥臂的混合IGBT内部的IGBT和SiC二极管的结温曲线，可以看出，在散热器温度固定为85时，IGBT的最高结温为98.8，并联的SiC二极管的最高结温为92.5。所以，无论是IGBT还是SiC二极管，温升都有比较好的表现，可以有效提升图7 图腾柱无桥PFC仿真模型 a)交流输入电压和电流 b)输出电压和滤波电容纹波电流图8 图腾柱无桥PFC仿真波形图9 混合IGBT内部IGBT和SiC二极管的结温曲线384 2023中国家电科技年会论文集混合IGBT的可靠性，即使基于EMC的考虑而增大IGBT的门极电阻，IGBT的结温也可以保证有充足的裕量。3 实际测试结果基于英飞凌3.3 kW图腾柱无桥PFC 评估板EVAL_3K3W_TP_PFC_SIC（见图10和文献3），将高频桥臂的SiC MOSFET替换成混合IGBT IKZA50N65RH5，在实验室完成了整机效率测试和交流输入电流THDi测试，数据如图11所示。从效率曲线可以看出，在2400 W输出功率时，图腾柱无桥PFC整机最高效率达到了97.924%，即使在满载3300 W时，整机效率亦达到了97.826%。如果去掉散热风扇的功耗3 W，则整机最高效率可以达到98.04%。同时，可以看到，交流输入电流的THDi在输出功率高于1200 W时，均低于5%。图10 英飞凌EVAL_3K3W_TP_PFC_SIC 评估板图11 混合IGBT图腾柱无桥PFC效率曲线和THDi曲线4 结论结合前述的仿真波形、仿真结果和评估板实验数据，可以得出一个肯定的结论，混合IGBT非常适合于图腾柱无桥PFC这个拓扑，用半额定电流的SiC二极管替换Si二极管，兼顾了IGBT的高性价比以及SiC二极管的高速以及极低的反向恢复电流的优势，在硅基解决方案的较低性能和全碳化硅解决方案的较高成本之间实现了绝佳平衡，具有非常出色的性价比和易用性，可以快速改善系统痛点，提升整机能效和可靠性。图腾柱无桥PFC相比传统的单Boost PFC，在性能提升的同时，也会带来电路板BOM成本的略微增加，毕竟，图腾柱需要采用半桥的驱动IC，还有正负交流周期的检测电路，而单Boost PFC仅需要更便宜的低边驱动IC即可，也无需检测正负交流电压周期。图12 混合IGBT图腾柱无桥PFC与单Boost PFC效率对比曲线采用混合IGBT IKZA50N65RH5的图腾柱无桥PFC方案也已经在一家电企业整机上完成了实际测试，如图12所示，230 V输入电压，开关频率60 kHz时，相比传统的单Boost PFC方案，整机满载效率提升0.62%，满载时整机损耗下降23 W，IGBT温升下降12.7，极大的提升了整机可靠性和能效，同时，散热器尺寸缩减40%。从整机的系统成本来核算，两种方案的成本有希望做到持平。参考文献1 中国国家标准化管理委员会.GB 21455-2019房间空气调节器能效限定值及能效等级S.2019.2 Chistoph Marxgut,Florian Krismer,Dominik Bortis,et al.Ultra-flat interleaved triangular current mode single phase PFC rectifierJ.IEEE transactions on power electronics,2014,29(02):873-882.3 Moo-Hyun Park,Yeonho Jeong,Gun-Woo Moon.An Interleaved Totem-Pole bridgeless boost PFC converter with soft-switching capability adopting phase-shifting controlJ.IEEE transactions on power electronics,2019,34(11):10610-10618.4 李国鑫.GaN高效大功率图腾柱PFC变换器研究D.哈尔滨:哈尔滨工业大学,2016.5 陈喜亮.图腾柱无桥PFC变流器研究D.杭州:浙江大学,2014.6 Infineon Technologies,IKZA50N65RH5 datasheet EB.2022.7 Infineon Technologies,3300 W continuous conduction mode totem pole PFC with 600 V Cool mosTM CFD7 and XMCTM EB.2021.8 Wei Wu.1.5 kW Digital Totem Pole PFC Design for Air-Conditioner and Performance Comparison using IGBT and GaNJ.PCIM Europe 2017,2017:745-749.9 Zhengyang Liu,Zhengrong Huang,Fred C.Lee,et al.Digital-Based Interleaving Control for GaN-Based MHz CRM Totem-Pole PFCJ.IEEE journal of emerging and selected topics in power electronics,2016,4(03):808-814.10 Infineon Technologies.CoolGaNTM totem-pole PFC design guide and power loss modeling EB.2019.11 Infineon Technologies,EVAL_3K3W_TP_PFC_SIC user guide EB,2020.