增加逆變器轉換效率 IGBT升級650V阻斷電壓
由於全球各地用電量持續增長，所以對環境影響最小的替代能源方案需求也跟著水漲船高。其中，太陽能產業發展更是突飛猛進，透過最新製程技術、系統拓撲和元件，產出便宜、潔淨能源的可行性已愈來愈高，漸受到市場青睞。
衝刺太陽能系統轉換效率 新型650伏特 IGBT登場
由於市場不斷要求太陽能系統業者提升轉換效率，故業界一直在尋求如何提高元件的崩潰電壓。為配合太陽能面板匯流排(Bus)的電壓峰值，相關業者均傾向採用650伏特(V)元件，以便在轉換器的輸入級上獲得較大的設計餘裕(Margin)。而崩潰電壓屬正溫度係數，將伴隨系統溫度升降，這也是要求具更高阻隔電壓的理由之一，因太陽能逆變器(Inverter)一般會安裝在室外。
此外，三電平中點箝位(Neutral-point-clamped, NPC)拓撲也可應用到中低功率的太陽能逆變器，因其有較好的輸出電壓頻譜性能，以縮減濾波器(Filter)的尺寸和成本，並可在不犧牲太多切換損失的情形下，增加開關頻率。在此種情況下，650伏特崩潰電壓可提供極大幫助，因在三電平NPC拓撲中的直流鏈電壓(DC Link Voltage)無法完美平衡，所以這種拓撲須具有更高的阻斷電壓。
為滿足上述應用隊更高電壓的要求，開發650伏特絕緣閘雙極電晶體(IGBT)更顯重要，不過，在提高耐壓能力的同時，仍須將切換和導通損耗保持在與600伏特IGBT相當的水準上。一般而言，較高崩潰電壓會使Vce(sat)升高，導致太陽能逆變器的性能下降；尤其Vce(sat)和開關性能是相互取捨的關係，這代表由較高擊穿電壓帶來的高Vce(sat)補償，亦會降低開關性能以致得到較大切換損耗。因此，在折衷權衡曲線中找到最佳設計點，將是打造650伏特IGBT的關鍵。
圖1顯示對導通損耗十分重要的600和650伏特IGBT的Vce(sat)特性，兩者曲線幾乎相同。仔細來看，新型650伏特IGBT在室溫下，從較低的Ic到最高的額定電流(60安培)條件下，Vce(sat)較低，但是差別非常小。
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| 圖1 600與650伏特IGBT的直流特性及飽和電壓分析 |
圖2則顯示開通和關斷的切換損耗能量的總和。測試條件為：Vdd=400伏特、Vge=15伏特和Rg=3歐姆(Ω)。此外，兩種IGBT之間的差異很小，在高溫和一半額定電流條件下，開關性能是相同的；在室溫和額定電流下，新型650伏特IGBT的總開關損耗要高出5%。
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| 圖2 600與650伏特IGBT切換損耗隨集電極電流變化的情況 |
總體而言，新型650伏特IGBT在典型工作溫度和電流位準下，與600伏特IGBT幾乎是相同的，這一點已由實際電路驗證獲得證實。
高阻斷電壓優勢亮眼 650伏特IGBT搶進逆變器
高阻斷電壓優勢亮眼 650伏特IGBT搶進逆變器
要評估系統端的性能，可根據圖1和圖2的IGBT特性資料進行損耗分析，並選擇一種具有混合式開關控制方案的全橋逆變器做為目標拓撲，如圖3係每一IGBT在此拓撲下的電流波形的示意圖。其中，高側IGBT以高頻方式導通和關斷，低側IGBT則以市電頻率(Line Frequency)進行開關，並在另一半市電週期內提供續流路徑(Free-wheeling Path)。
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| 圖3 切換損耗隨集電極電流變化的情況 |
與此同時，圖4顯示高側IGBT的開關頻率為17kHz，輸出功率為3kW時，預估每個IGBT的功率損耗。為簡化方程式並快速得到模擬結果，假設輸入電壓和輸出電壓分別為400VDC和220VAC，IGBT外殼溫度為攝氏70℃。因IGBT集電極電流在19安培左右，或低於額定電流的一半，即使包含共封裝二極體(Diode)反向恢復電流帶來的電流峰值，在以市電頻率切換時，新型650伏特IGBT的功率損耗略微小一些，這與圖1顯示的直流特性充分吻合。
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| 圖4 600伏特與650伏特IGBT功率損耗預估 |
由於以高頻開關的高側IGBT，切換損耗是主要的功率損耗，新型650伏特IGBT的損耗略為高些，與圖2顯示的開關損耗資料一致。
此外，650伏特IGBT也可用於額定功率為3kW的單相網格相連(Grid-connected)所使用的太陽能逆變器，並參照現有的600伏特IGBT對其系統效率進行評估。經測試後，模擬條件的輸入和輸出規範幾乎相同；帶有混合頻率開關控制的全橋拓撲，高側IGBT的開關頻率為17kHz。
圖5指出600與650伏特IGBT個別的效率曲線，在輸入功率小的情況下，切換損耗占總體功率損耗的絕大部分，因此新一代650伏特IGBT的效率在300瓦(W)時要低0.2%，在600瓦時則低0.08%。隨著輸入功率增大，導通損耗成為主要的損耗因素，650伏特IGBT在2,250瓦時的效率要高出0.19%，在3kW時高出0.13%。
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| 圖5 600伏特與650伏特IGBT效率測試結果 |
至於其CEC權重效率為96.7%，而現有600伏特IGBT的數值則為96.62%，因在最高功率的75%時(2,250瓦)權重係數最大。根據系統級效率測試結果和損耗分析模擬，可確定650伏特IGBT的性能與現有600伏特產品相當，但卻具有更高的阻斷電壓，帶來更多應用優勢。
基於上述太陽能逆變器應用與技術開發觀點，功率半導體商已相繼開發新型650伏特IGBT，並評估其在太陽能逆變器應用中的性能。新元件在不犧牲性能的情況下具有更高的阻斷電壓，這一點將非常適合太陽能逆變器應用及其他需更高阻斷電壓的功率轉換系統。
