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IGBT Modules Deliver Greater Efficiency in Challenging Inverter Applications 作者：安森美產品線經理 Jinchang Zhou 制造商和消費者都在試圖擺脫對化石燃料能源的依賴，電氣化方案也因此廣受青睞。這對于保護環境、限制污染以及減緩破壞性的全球變暖趨勢具有重要意義。電動汽車 (EV) 在全球日益普及，眾多企業紛紛入場，試圖將商用和農業車輛 (CAV) 改造成由電力驅動。 然而，這種轉變使得電能需求快速增長，給電網帶來了極大的壓力。盡管能效很高，但電動汽車、數據中心、熱泵等應用仍需要大量能源才能運行。 太陽能、風能、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用，才能被視為真正的“清潔”應用。 太陽能市場已經發展多年，相對成熟。Fortune Business Insights 的報告顯示，目前太陽能市場規模估計為 2730 億美元，到 2032 年有望增長到 4360 億美元。2023年，北美太陽能市場占比超過了 40%。 可再生能源應用中的電源轉換挑戰 太陽能發電量正在迅速增長。國際能源署 (IEA) 的數據表明，2022 年，太陽能產生的電力比上一年度增長 26%，達到 1300 TWh。這標志著太陽能發電已超越風電，成為最大的可再生電力來源。 太陽能光伏 (PV) 板產生直流電 (DC)，而電網需要交流電 (AC)，因此中央光伏逆變器是大型并網裝置不可或缺的一部分。光伏板產生的所有能量都會經過逆變器，因此逆變器效率具有重要影響。盡管太陽能取之不盡，用之不竭，但轉換效率低下會導致輸送到電網的能量十分有限。過程中所浪費的能量會轉化為熱量，進而又會構成嚴峻挑戰，因為許多太陽能裝置通常位于陽光充沛、溫度較高的環境，如沙漠。 成本也是非常重要的考慮因素，可直接影響消費者的電費以及電力公司的盈利。為實現更高功率，許多中央逆變器并聯使用多個轉換模塊，具體數量由每個模塊的額定功率決定。每個模塊功率容量越高，所需模塊就越少，進而可以降低成本。 盡管電動汽車已經取得了長足進步，但 CAV 在向電力驅動轉變方面仍進展緩慢。CAV 體型較大，每次行駛消耗的燃料和產生的排放也更多，雖然數量上僅占汽車總量的 2%，但其溫室氣體排放量占交通運輸排放總量的 28%。雖然商用客運車（如公共汽車）的電動化已經初見成效，但大多數大型卡車、建筑機械和農業車輛（如拖拉機）仍然依賴柴油驅動。現在，情況開始發生變化。為達到歐盟、中國和美國加州等全球市場嚴格的零排放法規要求，預計到 2030 年，電動卡車（純電和混合動力）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，電動商用車結構更簡單，運動部件更少。在載重能力相同的情況下，電動車體積更小、可靠性更高、維護相關成本更低。目前電池成本大幅降低，電動 CAV 的總擁有成本已經低于內燃機 (ICE) 車輛。 與太陽能應用類似，效率也是電動 CAV 的關鍵要求。每輛車的電池電量有限，逆變器中轉換過程的效率越高，車輛行駛距離就越長。或行駛同樣的距離所需的電量就更少。 鑒于未來我們對太陽能和電動 CAV 的依賴，可靠性自然也就變得非常重要。 面向逆變器應用的先進電源技術 在三相太陽能光伏逆變器等的高功率應用中，三電平有源中性點箝位 (ANPC) 轉換器是比較常見的拓撲。這種多電平拓撲結構專門用于提升系統的性能和效率。 普通中性點箝位 (NPC) 轉換器使用二極管將直流鏈路電容的中性點連接到輸出端。在 ANPC 配置（圖 1）中，箝位由開關執行，因此能夠改善控制、減少開關損耗并提高效率，并且能相應地減少對散熱措施的需求，從而有助于實現尺寸更小、成本更低的方案。 拓撲結構的布置方式降低了各個開關上的電壓應力，從而提高了可靠性。此外，ANPC 還能實現對電網有利的波形。 
圖 1：可利用模塊輕松構建 ANPC 轉換器 設計工程師可以通過并聯多個功率模塊，例如安森美 (onsemi) 的 QDual 3 IGBT 模塊，創建高性能三電平有源中性點箝位模塊，其系統輸出功率可達 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 場截止 7 (FS7) IGBT 和二極管技術，可為大功率應用提供更優異的性能。與前幾代產品相比，FS7 技術顯著改善了導通損耗。
圖 3：FS7 技術增強了關鍵性能參數 在 FS7 IGBT 工藝中，溝槽窄臺面帶來了低 VCE(SAT) 和高功率密度，而質子注入多重緩沖確保了穩健性和軟開關特性（圖 2）。安森美中速 FS7 器件的 VCE(SAT) 低至 1.65V，適用于運動控制應用；而其 FS7 快速產品的 EOFF 僅 57 μJ/A，是太陽能逆變器和 CAV 等高功率應用的理想選擇。
圖 4：FS7 IGBT 尺寸更小，功率密度更高 創新型 FS7 技術使新型 QDual3 模塊中的芯片尺寸比上一代縮小了 30%（圖 3）。這種小型化與先進的封裝相結合，可以顯著提高最大額定電流。在工作溫度高達 150 攝氏度的電機控制應用中，QDual3 的輸出功率為 100 kW 至 340 kW，比目前市場上的其他產品高出大約 12%。 可靠性是太陽能和 CAV 應用的關鍵，因此模塊的構造和測試方式至關重要。例如，目前有許多類似方案使用引線鍵合方式來固定端子，而安森美則選擇采用超聲波來焊接模塊。后者有助于增強電流承載能力，提供更優散熱路徑，并且比前者更為堅固（圖 4）。
圖 5：超聲波焊接可降低溫度并增強可靠性 這種方法可以提高電導率，從而減少電力損失、提升效率。此外還能降低工作溫度、增強機械剛度，以及提高模塊的整體可靠性。 安森美的新型高功率 QDual3 技術 專用 QDual 3 半橋 IGBT 模塊NXH800H120L7QDSG 適用于中央太陽能逆變器、儲能系統(ESS)、不間斷電源(UPS)；而 SNXH800H120L7QDSG 則適用于 CAV。這兩款器件均基于 FS7 技術打造，VCE(SAT) 和 EOFF 有所改進，進而降低了損耗、提高了能效。 目前，若使用 600 A IGBT 模塊以 ANPC/INPC 架構來設計 1.725 MW 逆變器，總共將需要 36 個模塊。然而，若使用額定工作電流為 800 A 的新型 NXH800H120L7QDSG 和 SNXH800H120L7QDSG，設計所需模塊數量將減少 9 個。相應地，設計的尺寸、重量和成本將節省 25%。這對于太陽能應用和 CAV 應用來說都非常有價值，因為重量減輕和效率提高，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構建系統 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，并支持通過可焊接引腳將模塊直接安裝到 PCB 上，采用行業標準布局，有助于輕松將現有設計升級到新型 QDual3 技術。 安森美的所有 QDual3 模塊均經過嚴格的可靠性測試，其可靠性水平超過市場上的其他同類器件。我們的濕度測試要求產品承受 960V 偏壓長達 2000 小時，而同類器件僅需承受 80V 偏壓 1000 小時。振動測試對于 CAV 應用至為關鍵，我們的產品在 30 G 峰值/10G RMS 條件下進行了長達 22 小時的測試，可滿足 AQG324 要求。其他器件則是在振動水平低至 5 G 的條件下進行測試，持續時間短至 1 小時。 總結 全世界的可再生能源使用率越來越高，電網正承受著巨大壓力。太陽能發電已經發展成熟，2022 年更是超過風電，成為可再生電力的主要來源。 盡管化石燃料驅動的車輛仍是主要的污染源，但 CAV 的電氣化正在穩步推進，目前已初見成效。 安森美 FS7 等新型半導體技術支持開發低損耗、大功率器件，以滿足這些領域的效率和可靠性需求。基于這項技術，安森美的新型 QDual3 器件采用緊湊封裝，可實現高功率密度和出色能效。焊接良好的端子和超越業內其他器件的認證測試助力保障 QDual3 器件的穩健性能。 新一代 NXH800H120L7QDSG 和 SNXH800H120L7QDSG 模塊電流能力高達 800 A，得益于此，逆變器設計所需的模塊可減少 25%，并能夠進一步簡化設計、減小其體積、質量并降低成本。 這無疑是一項重大進展，安森美將繼續潛心鉆研 FS7 技術的高性能潛力，力求推出更多超越現有標準的模塊，從而滿足太陽能行業和 CAV 制造商不斷增長的需求。 |
