IGBT 模块在颇具挑战性的逆变器应用中提供更高能效
作者：安森美产品线经理 Jinchang Zhou
制造商和消费者都在试图摆脱对化石燃料能源的依赖，电气化方案也因此广受青睐。这对于保护环境、限制污染以及减缓破坏性的全球变暖趋势具有重要意义。电动汽车 (EV) 在全球日益普及，众多企业纷纷入场，试图将商用和农业车辆 (CAV) 改造成由电力驱动。
然而，这种转变使得电能需求快速增长，给电网带来了极大的压力。尽管能效很高，但电动汽车、数据中心、热泵等应用仍需要大量能源才能运行。
太阳能、风能、波浪能等新型可再生能源受到广泛欢迎，正逐渐成为主流。只有完全使用可再生能源的应用，才能被视为真正的“清洁”应用。
太阳能市场已经发展多年，相对成熟。Fortune Business Insights 的报告显示，目前太阳能市场规模估计为 2730 亿美元，到 2032 年有望增长到 4360 亿美元。2023年，北美太阳能市场占比超过了 40%。
可再生能源应用中的电源转换挑战
太阳能发电量正在迅速增长。国际能源署 (IEA) 的数据表明，2022 年，太阳能产生的电力比上一年度增长 26%，达到 1300 TWh。这标志着太阳能发电已超越风电，成为最大的可再生电力来源。
太阳能光伏 (PV) 板产生直流电 (DC)，而电网需要交流电 (AC)，因此中央光伏逆变器是大型并网装置不可或缺的一部分。光伏板产生的所有能量都会经过逆变器，因此逆变器效率具有重要影响。尽管太阳能取之不尽，用之不竭，但转换效率低下会导致输送到电网的能量十分有限。过程中所浪费的能量会转化为热量，进而又会构成严峻挑战，因为许多太阳能装置通常位于阳光充沛、温度较高的环境，如沙漠。
成本也是非常重要的考虑因素，可直接影响消费者的电费以及电力公司的盈利。为实现更高功率，许多中央逆变器并联使用多个转换模块，具体数量由每个模块的额定功率决定。每个模块功率容量越高，所需模块就越少，进而可以降低成本。
尽管电动汽车已经取得了长足进步，但 CAV 在向电力驱动转变方面仍进展缓慢。CAV 体型较大，每次行驶消耗的燃料和产生的排放也更多，虽然数量上仅占汽车总量的 2%，但其温室气体排放量占交通运输排放总量的 28%。虽然商用客运车（如公共汽车）的电动化已经初见成效，但大多数大型卡车、建筑机械和农业车辆（如拖拉机）仍然依赖柴油驱动。现在，情况开始发生变化。为达到欧盟、中国和美国加州等全球市场严格的零排放法规要求，预计到 2030 年，电动卡车（纯电和混合动力）销量占比将从目前的 5% 增加到 40%-50%。
相较于化石燃料商用车，电动商用车结构更简单，运动部件更少。在载重能力相同的情况下，电动车体积更小、可靠性更高、维护相关成本更低。目前电池成本大幅降低，电动 CAV 的总拥有成本已经低于内燃机 (ICE) 车辆。
与太阳能应用类似，效率也是电动 CAV 的关键要求。每辆车的电池电量有限，逆变器中转换过程的效率越高，车辆行驶距离就越长。或行驶同样的距离所需的电量就更少。
鉴于未来我们对太阳能和电动 CAV 的依赖，可靠性自然也就变得非常重要。
面向逆变器应用的先进电源技术
在三相太阳能光伏逆变器等的高功率应用中，三电平有源中性点箝位 (ANPC) 转换器是比较常见的拓扑。这种多电平拓扑结构专门用于提升系统的性能和效率。
普通中性点箝位 (NPC) 转换器使用二极管将直流链路电容的中性点连接到输出端。在 ANPC 配置（图 1）中，箝位由开关执行，因此能够改善控制、减少开关损耗并提高效率，并且能相应地减少对散热措施的需求，从而有助于实现尺寸更小、成本更低的方案。
拓扑结构的布置方式降低了各个开关上的电压应力，从而提高了可靠性。此外，ANPC 还能实现对电网有利的波形。
图 1：可利用模块轻松构建 ANPC 转换器
设计工程师可以通过并联多个功率模块，例如安森美 (onsemi) 的 QDual 3 IGBT 模块，创建高性能三电平有源中性点箝位模块，其系统输出功率可达 1.6 MW 至 1.8 MW。
图 2：QDual3 IGBT 模块
QDual 3 模块集成了新一代 1200 V 场截止 7 (FS7) IGBT 和二极管技术，可为大功率应用提供更优异的性能。与前几代产品相比，FS7 技术显著改善了导通损耗。
图 3：FS7 技术增强了关键性能参数
在 FS7 IGBT 工艺中，沟槽窄台面带来了低 VCE(SAT) 和高功率密度，而质子注入多重缓冲确保了稳健性和软开关特性（图 2）。安森美中速 FS7 器件的 VCE(SAT) 低至 1.65V，适用于运动控制应用；而其 FS7 快速产品的 EOFF 仅 57 µJ/A，是太阳能逆变器和 CAV 等高功率应用的理想选择。
图 4：FS7 IGBT 尺寸更小，功率密度更高
创新型 FS7 技术使新型 QDual3 模块中的芯片尺寸比上一代缩小了 30%（图 3）。这种小型化与先进的封装相结合，可以显著提高最大额定电流。在工作温度高达 150 摄氏度的电机控制应用中，QDual3 的输出功率为 100 kW 至 340 kW，比目前市场上的其他产品高出大约 12%。
可靠性是太阳能和 CAV 应用的关键，因此模块的构造和测试方式至关重要。例如，目前有许多类似方案使用引线键合方式来固定端子，而安森美则选择采用超声波来焊接模块。后者有助于增强电流承载能力，提供更优散热路径，并且比前者更为坚固（图 4）。
图 5：超声波焊接可降低温度并增强可靠性
这种方法可以提高电导率，从而减少电力损失、提升效率。此外还能降低工作温度、增强机械刚度，以及提高模块的整体可靠性。
安森美的新型高功率 QDual3 技术
专用 QDual 3 半桥 IGBT 模块NXH800H120L7QDSG 适用于中央太阳能逆变器、储能系统(ESS)、不间断电源(UPS)；而 SNXH800H120L7QDSG 则适用于 CAV。这两款器件均基于 FS7 技术打造，VCE(SAT) 和 EOFF 有所改进，进而降低了损耗、提高了能效。
目前，若使用 600 A IGBT 模块以 ANPC/INPC 架构来设计 1.725 MW 逆变器，总共将需要 36 个模块。然而，若使用额定工作电流为 800 A 的新型 NXH800H120L7QDSG 和 SNXH800H120L7QDSG，设计所需模块数量将减少 9 个。相应地，设计的尺寸、重量和成本将节省 25%。这对于太阳能应用和 CAV 应用来说都非常有价值，因为重量减轻和效率提高，将使得车辆行驶里程有所增加。
图 6：更大的电流能力支持使用更少的模块来构建系统
这些模块包含用于热管理的隔离底板和集成的 NTC 热敏电阻，并支持通过可焊接引脚将模块直接安装到 PCB 上，采用行业标准布局，有助于轻松将现有设计升级到新型 QDual3 技术。
安森美的所有 QDual3 模块均经过严格的可靠性测试，其可靠性水平超过市场上的其他同类器件。我们的湿度测试要求产品承受 960V 偏压长达 2000 小时，而同类器件仅需承受 80V 偏压 1000 小时。振动测试对于 CAV 应用至为关键，我们的产品在 30 G 峰值/10G RMS 条件下进行了长达 22 小时的测试，可满足 AQG324 要求。其他器件则是在振动水平低至 5 G 的条件下进行测试，持续时间短至 1 小时。
总结
全世界的可再生能源使用率越来越高，电网正承受着巨大压力。太阳能发电已经发展成熟，2022 年更是超过风电，成为可再生电力的主要来源。
尽管化石燃料驱动的车辆仍是主要的污染源，但 CAV 的电气化正在稳步推进，目前已初见成效。
安森美 FS7 等新型半导体技术支持开发低损耗、大功率器件，以满足这些领域的效率和可靠性需求。基于这项技术，安森美的新型 QDual3 器件采用紧凑封装，可实现高功率密度和出色能效。焊接良好的端子和超越业内其他器件的认证测试助力保障 QDual3 器件的稳健性能。
新一代 NXH800H120L7QDSG 和 SNXH800H120L7QDSG 模块电流能力高达 800 A，得益于此，逆变器设计所需的模块可减少 25%，并能够进一步简化设计、减小其体积、质量并降低成本。
这无疑是一项重大进展，安森美将继续潜心钻研 FS7 技术的高性能潜力，力求推出更多超越现有标准的模块，从而满足太阳能行业和 CAV 制造商不断增长的需求。
