近年来,新能源汽车、充电桩、智能装备制造、光伏新能源等新兴应用领域成为功率半导体产业的持续增长点,MOSFET和IGBT等功率半导体获得了前所未有的关注。
IGBT 作为一种新型电力电子器件,是国际上公认的电力电子技术第三次革命最具代表性的产品,是工业控制及自动化领域的核心元器件,其作用类似于人类的心脏,能够根据工业装置中的信号指令来调节电路中的电压、电流、频率、相位等,以实现精准调控的目的。因此,IGBT 被称为电力电子行业里的“CPU”,广泛应用于电机节能、轨道交通、智能电网、航空航天、家用电器、汽车电子、新能源发电、新能源汽车等领域。
一文看懂在不同领域如何选择IGBT/SiC功率器件
经过几十年的发展,硅正在达到其性能的极限,Si基器件性能提高的潜力愈来愈小。但新结构和新封装的引入升级仍推动着硅基器件的应用和市场发展。同时,以碳化硅为代表的宽禁带功率半导体器件凭借其优异的性能,逐步应用于高压、高频、高温和大功率电力电子领域。SiC被认为是一种超越 Si 极限的用于制造功率器件的材料。SiC功率器件面准的市场是大约600V以上的耐压用途,基于SiC衬底的IGBT器件甚至可达到20kV以上超高压。SiC功率器件可广泛应用于新能源汽车、5G 通讯、光伏发电、轨道交通、智能电网、航空航天等现代工业领域,特别是在新能源汽车领域的渗透逐步上升。

1. 光伏

 
光伏逆变器按照应用场景分为:户用逆变器,工商业逆变器,地面电站逆变器。功率半导体器件作为光伏逆变器的核心器件,在其中承担着电能转换的功能。户用逆变器母线电压一般为500V以下,主要以单管方案为主;组串式逆变器母线电压为1100V,以三电平PIM模块为主;地面电站逆变器母线电压为1500V ,以半桥的大电流模块为主,三个半桥模块拼接成I型三电平的一个桥臂。
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光伏逆变器电路/PV inverter circuit

1)户用光伏方案

户用光伏功率范围3~20kW,以单管方案为主,部分仍沿用模块方案。为提高效率,SiC二极管在系统中也有广泛应用。产品封装一般包括TO220、TO247、TO247-2、TO252、PDFN8*8等。

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2)工商业及电站光伏方案

工商业和电站光伏逆变器按照电压等级分为1100V和1500V两种。1100V系统多采用基于650V模块的INPC拓扑结构或者基于1200V模块的TNPC拓扑,1500V系统多采用基于1200模块的INPC拓扑或者基于1700V模块的TNPC拓扑。可采用多模块并联的方式实现更大功率等级。

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2. 工业传动

工业传动变频器是应用变频技术与微电子技术,通过改变电机工作频率方式来控制交流电动机的电力控制设备。变频器主要由整流(交流变直流)滤波、逆变(直流变交流)、制动单元、驱动单元、检测单元微处理单元等组成。工业传动变频器主要靠内部IGBT的开断来调整输出电源的电压和频率,根据电机的实际需要来提供其所需要的电源电压,进而达到节能、调速的目的。

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3. 电源

 电源是位于市电(单相或三相)与负载之间,向负载提供所需电能的供电设备。电源分为普通电源和特种电源两类:

  • 普通电源可分为:电镀电源、开关电源、逆变电源、稳压电源、变频电源、UPS电源等;

  • 特种电源可分为:高压电源、医疗电源、军用电源、激光电源等。

特种电源即特殊种类的电源。所谓特殊主要是由于衡量电源的技术指标要求不同于常用的电源,其主要是输出电压特别高,输出电流特别大,或者对稳定度、动态响应及纹波要求特别高,或者要求电源输出的电压或电流是脉冲或其它一些要求。

不间断电源(UPS)是防止银行计算机系统、医院医疗设施等在停电和瞬间停电时系统停机的电源。一般UPS系统由电池和使用IGBT的逆变器组成。要求电源具有高可靠性和高效率。

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4. 电能质量

有源电力滤波器(APF)是一种动态抑制谐波、补偿无功的电力电子装置。可以通过采样负载电流并进行各次谐波和无功的分离,控制并主动输出电流的大小、频率和相位,并且快速响应,抵消负载中相应电流,实现了动态跟踪补偿,而且可以既补谐波又补无功和不平衡。

静止无功发生器(SVG)是与电网并联调节输出电压的相位和幅值,使电路吸收或输出满足要求的无功功率,达到动态无功补偿的目的。SVG是目前无功功率控制领域内的最佳方案。相对于传统的调相机、电容器电抗器、以晶闸管控制电抗器TCR为主要代表的传统SVC等方式,SVG有着无可比拟的优势。

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5. 储能系统

储能逆变器按照耦合方式分为直流侧耦合和交流侧羯合两种。按照应用场景也分为:户用储能,工商业储能,电站储能。直流侧储能从母线取电,通过直流-直流变换器对电池进行充放电。交流侧耦合储能电路拓扑结构与光伏逆变器类似。不同的是储能需要双向充放电,因此变流器需要工作在四象限模式,这就对IGBT的反并联二极管的规格有了更高的要求。

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常见的储能系统电池电压等级为400V,1000V,1500V。小功率(<50kW)的储能逆变器以650V,1200V单管方案为主,大功率储能逆变器多采用三电平模块方案。

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1)户用储能方案

户用储能功率范围3~20kW,以单管方案为主,部分仍沿用模块方案。为提高效率,SiC二极管在系统中也有广泛应用。产品封装方案一般选择TO220、TO247、TO247-2、TO252、PDFN8*8等。

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2)工商业和电站解决方案

工商业和电站解决方案功率从30kW~1MW,母线电压主要有1000V/1500V两种规格,模块方案比较多样化。1000V母线系统可以采用650V模块搭建NPC扑,也可以采用1200V模块搭建TNPC拓扑。1500V母线系统可以采用1200V模块搭建INPC或者采用1700V模块搭建TNPC。对于MW级储能,一般采用多模块并联的方案。
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6. EV/HEV

电动车控制器是用来控制电动车的启动、运行、加速、停止的核心控制器件。而功率器件又是电动车控制器的核心部件。电动车对功率器件的体积,重量,可靠性,效率都有着非常高的要求。

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资料参考:银茂微功率器件应用解决方案

原文始发于微信公众号(艾邦半导体网):一文看懂在不同领域如何选择IGBT/SiC功率器件

作者 li, meiyong