光伏储能变流器双向Buck-Boost SiC-IGBT单管

 

现代尖端电力电子设备性能升级需要提升系统功率密度、使用更高的主开关频率。而现有硅基IGBT配合硅基FRD性能已无法完全满足要求，需要高性能与性价比兼具的主开关器件。为此，基本半导体推出的混合碳化硅分立器件（Hybrid SiC Discrete Devices）将新型场截止IGBT技术和碳化硅肖特基二极管技术相结合，为硬开关拓扑打造了一个兼顾品质和性价比的完美方案。

 

高效逆变器用 HERIC 电路和相关工艺可用于单相逆变器，该拓扑是在H桥的桥臂两端加上两个反向的开关管进行续流，以达到续流阶段电网与光伏电池隔离的目的,尤其是在低功率范围内（如屋顶光伏系统），其基于传统H4电路上在交流侧加入旁路功能的第五、六开关。其有效隔离了零电平时候交流滤波电感L与寄生电容C之间的无功交换，提升系统效率，且降低寄生电容上的电压高频分量，消除漏电流,通过利用BASiC基本半导体SiC碳化硅器件的开关损耗低特性，单相HERIC电路中，用单一器件BASiC基本半导体650V混合SiC-IGBT单管可以有效降低高频管的损耗，显著降低器件的工作结温，提升系统效率,BASiC基本半导体650V混合SiC-IGBT单管继承了经典的TO247封装，客户可以在不变更PCB和电路情况下，对老的产品进行直接替换，从而在最短时间内达到系统效率的提升和增加开关频率的目的。同时，由于器件带来系统损耗减少的优势，可以降低散热设计要求和成本；开关频率提升可以有效降低并网电感的尺寸和大小，减少电流谐波对电网的污染。HERIC电路设计的拓扑结构可以实现高达99％超高转化效率，同时将EMI保持在较低的水平。除了具有更高的能量输出的优点外，这种拓扑结构还降低了部件的热应力，因而散热器可以设计得更小，使用寿命却更长。行业普遍认为到目前为止，这是户用光伏逆变器储能变流器PCS设备中较好的设计。

 

该器件将传统的硅基IGBT和碳化硅肖特基二极管合封，在部分应用中可以替代传统的IGBT （硅基IGBT与硅基快恢复二极管合封），使得IGBT的开关损耗大幅降低。这款混合碳化硅分立器件的性能介于超结MOSFET和高性能的碳化硅 MOSFET之间，在某些场合性价比更优于超结MOSFET和碳化硅MOSFET，可帮助客户在性能和成本之间取得更好的平衡，具有重要的应用价值，特别适用于对功率密度提升有需求，同时更强调性价比的电源应用领域，如车载电源充电机（OBC）、通信电源、高频DC-DC电源转换器、UPS等。

 

PFC技术趋势

在电源研发领域，尤其是在汽车OBC和通信电源应用领域，由于PFC拓扑的设计可直接影响到电力转换系统效率的高低，使得这一关键因素在近年来变得愈发重要。为进一步提高电源的工作效率，科研人员和工程师们已经研究出多种不同的PFC拓扑结构，如传统的PFC拓扑、普通无桥PFC、双升压无桥PFC，图腾柱无桥PFC等，并已成功大范围应用在设计过程中。

对比上述四种常见的PFC拓扑结构，图腾柱无桥PFC拓扑的器件用量仅为6，同时还具有导通损耗最低、效率最高等优点，因此在车载OBC及通信电源等高效应用方面已有量产项目采用图腾柱无桥PFC取代传统的PFC或交错并联PFC。

因此本文除阐述图腾柱无桥PFC的优势和工作原理之外，将重点介绍图腾柱无桥PFC的功率半导体器件选型，并给出性能和成本平衡的混合碳化硅分立器件解决方案。

碳化硅肖特基二极管对IGBT的损耗和二极管反向恢复损耗的影响非常大。使用碳化硅肖特基二极管后，可以显著降低IGBT的开通损耗和总损耗，基本半导体碳化硅混合分立器件的开通损耗相对于Si IGBT降低55%，总损耗降低33%。

另外，混合碳化硅分立器件的反并联二极管由于其碳化硅肖特基二极管特性，基本上不存在反向恢复电流和反向恢复损耗。相对传统IGBT方案，在高频和效率提升上，混合碳化硅分立器件的技术优势更加明显。

 

传统IGBT及混合碳化硅分立器件反并联二极管的特性参数对比

混合碳化硅分立器件的反向恢复时间Trr，反向恢复电流Irr和反向恢复损耗Err明显降低。

 

基本半导体主要推出了650V 50A和650V 75A的混合碳化硅分立器件，并同时推出了TO-247-3和TO-247-4封装（如上图），使得客户在不需要更改电源电路和PCB的基础上，直接进行Pin To Pin替换验证测试及使用，在同样的设计系统中，客户可以在最短时间内提升整机效率，降低散热器设计要求和成本。客户也可以提高主开关管的开关频率，选择体积更小的电感进行设计，以此减少电流谐波对电网的污染。

 

BASiC基本半导体650V/1200V Hybrid IGBT 单管IGBT TO274-3和TO247-4 具备高速IGBT技术和碳化硅肖特基二极管的主要优点，具备出色的开关速度和更低的开关损耗，TO-247 4 引脚封装具有一个额外的开尔文发射极连接。此 4 引脚也被称为开尔文发射极端子，绕过栅极控制回路上的发射极引线电感，从而提高 IGBT或者碳化硅MOSFET 的开关速度并降低开关能量。主要规格有BGH50N65HF1（IKW50N65RH5国产替代，AIKW50N65RF5国产替代），BGH50N65HS1典型应用户用光伏储能机双向Buck-Boost电路，户用单相光伏逆变器Heric电路 (IKW50N65SS5国产替代),BGH50N65ZF1（IKZA50N65RH5，IKZA50N65SS5国产替代），BGH75N65HF1（IKW75N65RH5国产替代），BGH75N65HS1典型应用户用光伏储能机双向Buck-Boost电路，户用单相光伏逆变器Heric电路 (IKW75N65SS5国产替代),BGH75N65ZF1（IKZA75N65RH5，IKZA75N65SS5国产替代），BGH40N120HF典型应用光伏三相储能机双向Buck-Boost电路，T型三电平横管（IKW40N120H3，IKW40N120CS6，IKW40N120CS7国产替代）,BGH75N120HS 典型应用光伏三相储能机双向Buck-Boost电路，T型三电平横管 (IKQ75N120CH3国产替代，IKQ75N120CS6国产替代，)特别适用于 DC-DC 功率变换器和PFC电路。其常见应用包括：户用光伏逆变器650V混合SiC IGBT单管，户用光伏逆变器，组串光伏逆变器，户用储能逆变器，双向变流器，双向逆变器，车载充电机（OBC）、ESS储能系统、PV inverter光伏逆变器、UPS不间断电源系统 (UPS)，以及服务器和电信用开关电源 (SMPS) ，基本半导体混合碳化硅分立器件将新型场截止IGBT技术和碳化硅肖特基二极管技术相结合，为硬开关拓扑打造了一个兼顾品质和性价比的方案。该器件将传统的硅基IGBT和碳化硅肖特基二极管合封，在部分应用中可以替代传统的IGBT （硅基IGBT与硅基快恢复二极管合封），使IGBT的开关损耗大幅降低，适用于车载电源充电机（OBC）、通信电源、高频DC-DC电源转换器、储能等领域。

 

BASiC基本半导体混合IGBT Hybrid Discrete搭载了为高频开关优化的IGBT晶圆以及650VBASiC基本SiC二极管，基本SiC二极管极小Qrr，有效降低对管IGBT开通损耗，且自身反向恢复损耗Erec也明显降低，IGBT开通损耗随温度的影响很小，降低EMI，广泛应用于OBC车载充电器，光伏储能逆变器，充电桩电源模块，移动储能逆变器功率因数校正（PFC）、DC-DC（直流-直流）和DC-AC（直流-交流）等。

 

BASiC基本半导体碳化硅MOSFET B1M160120HC，B1M080120HC，B1M080120HK，B1M032120HC，B1M032120HK具备开关中的小栅极电荷和器件电容、反并联二极管无反向恢复损耗、与温度无关的低开关损耗，以及无阈值通态特性等。非常适合硬开关和谐振开关拓扑，如LLC和ZVS，广泛应用于OBC车载充电器，光伏储能逆变器，充电桩电源模块等，可以像IGBT或MOSFET一样使用易于使用的驱动器进行驱动。由于能在高开关频率下带来高效率，从而可以减小系统尺寸、增大功率密度，并确保高可靠性，延长使用寿命。

 

光伏逆变器升压SiC碳化硅二极管B2D10120H1,B2D20120HC1,B2D20120H1,B2D30120HC1,B2D30120H1,B2D40120H1,B2D20065HC1,B2D20065H1,B2D30065H,B2D40065H，B2D02120E1,光伏逆变器SiC MOSFET，IGBT Hybrid Discrete，混合三电平SiC-IGBT模块，IGBT单管，混合IGBT单管，SiC MOSFET,SiC Power MOSFET,SiC MOSFET模块，SOT-227碳化硅肖特基二极管模块，混合SiC-IGBT模块，BASiC基本混合混合SiC-IGBT单管，分立碳化硅MOSFET，TO263-7碳化硅MOSFET，碳化硅（SiC）MOSFET，储能逆变器SiC MOSFET，光伏逆变器SiC MOSFET，三电平IGBT模块，光储一体机混合IGBT器件

 

BASiC基本半导体第三代碳化硅肖特基二极管在沿用6英寸晶圆工艺基础上，实现了更高的电流密度、更小的元胞尺寸、更低的正向导通压降。BASiC基本半导体第三代碳化硅肖特基二极管继承了一代和二代产品的优点，采用JBS结构，优化了N-外延层的掺杂浓度，减薄N+衬底层，使得二极管具有更低的正向导通压降VF和结电荷QC，可以降低应用端的导通损耗和开关损耗。