Power Integrations宣布推出SCALE-iFlex LT NTC系列的IGBT/SiC模組閘極驅動器。這款全新的閘極驅動器針對的是新型100 mm×140 mm雙重樣式的IGBT模組(如Mitsubishi...

SEMIKRON-Danfoss和ROHM在開發碳化矽(SiC)功率模組方面，已有十多年的良好合作關係。此次，SEMIKRON-Danfoss向低功率領域推出的功率模組中，採用了ROHM新產品—1200V...

在各式應用中，人們越來越注意電動馬達的運作效率，高效率驅動器變得日益重要。此外，使用馬達驅動的設計，例如電動馬達、泵和風扇，需要降低整體成本，同時也需要降低這些電動馬達應用的能耗；因此，為電動馬達及其驅動指定高效率的設計以滿足特定應用需求，變得更加重要。 如今面對要求更高電壓或更高電流及更低頻率的電動馬達驅動應用，廣為人知且被廣泛使用的開關元件解決方案為「絕緣柵雙極晶體管(IGBT)」。由於多數馬達在較低頻率運作，要求可靠的安全工作區(SOA)和短路額定值，並需要將效率最大化，具有共同封裝二極體的IGBT非常適合這些應用。IGBT的電流處理能力和峰值電壓額定值等因素，將決定特定IGBT...

瑞薩電子(Renesas Electronics)宣布推出新款閘極驅動IC，以驅動絕緣閘雙極性電晶體(IGBT)和碳化矽(SiC)MOSFET等用於電動汽車(EV)逆變器高壓功率元件。 閘極驅動IC是EV逆變器的重要元件，在用於控制的MCU與功率放大的IGBT和SiC...

絕緣柵雙極晶體管(IGBT)被認為是執行各項電能轉換的出色解決方案，特別適用於不斷電系統(UPS)；UPS在AC電源的電壓出現異常時，供電給AC線路所連接的設備。 5kW UPS的目的是在供電中斷發生時，在備用柴油發電機啟動供電前維持AC電源的電壓。在這種情況下，UPS將啟動，提供數分鐘所需的AC電流，以讓發電機供應所需要的負載電流。 在不斷電系統中，設計人員使用的並非MOSFET，而是IGBT。IGBT具有更低的功率損耗和更高的熱導率，讓設計人員得以採用更簡單和更小的散熱器設計。Bourns...

馬達驅動與控制設計面臨新考驗。物聯網(IoT)與電氣化、自動化的發展，使得馬達運用比例不斷攀升；在工業4.0與數位轉型過程中，馬達更扮演著關鍵角色。然而，隨著全球ESG與淨零碳排聲浪高漲，產業界對於馬達運轉效率的要求也愈來愈高，馬達設計已不再是能否作動的問題，而是必須在滿足應用需求規格的前提下，同時兼顧高效率、低成本，以及高準確度和可靠度。 要提高馬達運作效率與可靠性，不單是從馬達本身設計著手，更必須全面地從控制器、閘極驅動器、電源開關、回授感測器等關鍵元件和電路設計進行考量，以及如何做好轉矩與負載的匹配，以有效增進操控效能，達到提升轉換效率和節能的目的，進而符合國際高效率馬達等級IE4甚至IE5的要求。 新世代MCU助威　突顯馬達性能差異 微控制器(MCU)是最常用來進行馬達控制設計的重要元件，其對於整體馬達運作的效能與效率扮演著關鍵影響性。 為了優化下一代馬達控制設計，瑞薩電子(Renesas)遂在新一代微控制器RA6T2系列中加入更豐富的周邊功能和專為馬達控制設計的硬體加速器，滿足智慧化、智動化時代，市場對馬達控制的設計需求。 台灣瑞薩物聯網暨基礎設施事業本部市場行銷部主任劉子建(圖1)表示，新推出的RA6T2系列32位元MCU採用240MHz...

絕緣柵雙極晶體管(IGBT)的性能和效能可以透過其在導通(ON)和截止(OFF)狀態之間轉換時的開關損耗及傳導損耗來進行量化。典型性能較高的IGBT由同一個半導體封裝中的IGBT和二極體構成。IGBT和二極體都會產生組合損耗，需要考量它們的相互作用。 IGBT和二極體的傳導損耗是電流流過集電極，或傳導週期中導通狀態電壓(飽和電壓和陽極電壓)的結果。本文將介紹一種有效的方法，在切換為ON和OFF階段，透過控制IGBT的電壓和電流波形來減低開關損耗。本文亦說明此方法如何顯著減少、甚至消除重疊時間內所發生的損耗。 IGBT基本介紹 IGBT的構造值得探索，為後續分析奠定基礎。幾十年前，當IGBT首次推出時，開發為一款開關元件，其閘極具有電壓控制的MOSFET，集電極和發射極(Emitter)則具備電流控制的雙極性晶體管。這種設計有效結合了兩個經過驗證開關元件的優點，產生電壓控制的雙極元件。圖1顯示IGBT等效電路，其中閘極是MOSFET，輸出級為PNP雙極少數電荷載體元件。此外，圖2中的測試電路包含一個IGBT，並標示相關參數。 圖1　IGBT等效電路...

東芝擴大其智慧閘極驅動光電耦合器的產品陣容。該隔離閘極驅動器具有過電流保護功能，適用於MOSFET或IGBT等功率元件。新元件TLP5222是一款2.5A輸出的智慧閘極驅動光電耦合器，擁有內建的保護操作自動恢復功能。產品出貨從即日起開始。 TLP5222持續監測所驅動的功率元件的漏-源極電壓(VDS)或集電極-發射極電壓(VCE)。內建的過電流偵測和保護功能可偵測到任何因過電流導致的漏-源極電壓或集電極-發射極電壓升高，並執行軟關斷。 新的光電耦合器還有一個內建的自動恢復功能，可在保護操作被觸發後25.5μs(典型值)將產品重設為正常操作。這簡化了控制器的時序設定。它還整合了一個隔離故障狀態回饋功能，在偵測到過電流時向控制器傳輸一個故障訊號，並透過主動式米勒鉗位(Miller...

超過1,000V電壓的應用通常使用IGBT解決方案。但如今碳化矽(SiC)元件性能卓越，能夠實現快速開關的單極元件，可取代雙極IGBT。這些SiC元件可以在較高的電壓下實施先前只能在較低電壓(<600V)下才可行的應用。與雙極IGBT相比，這些基於SiC的MOSFET可將功率損耗降低多達80%。SiC元件具有更高的系統效率和穩健性，以及更低的系統成本，適用於電信、伺服器、電動汽車充電站和電池組等應用。如果在基於矽的成熟MOSFET技術，和基於SiC的較新MOSFET之間進行選擇，需要考慮多種因素。 矽與SiC元件應用效率/功率密度比較 與矽元件相比，SiC元件的RDS(on)在工作溫度範圍內不易發生波動。使用基於SiC的MOSFET，RDS(on)數值在25°C到100°C溫度之間僅僅偏移大約1.13倍，而使用典型的基於Si的MOSFET時，RDS(on)則會偏移1.67倍。這顯示了針對基於SiC的MOSFET元件，工作溫度對功率損耗的影響要小得多，因而可以採用高得多的工作溫度。因此，基於SiC的MOSFET非常適合高溫應用，或者可以使用較簡單的冷卻解決方案來實現相同的效率水準。 當650V...

隨著電動車(EV)製造商之間為了開發成本更低、續航里程更長的車型所進行的競爭日益激烈，電力系統工程師必須設法藉由降低功率損耗和提高牽引逆變器系統效率，來提升續航里程並增加競爭優勢。效率與較低的功率損耗有關，而這會影響熱性能、系統重量、尺寸和成本。降低功率損耗的需求將隨著開發功率更高的逆變器而持續存在，尤其是在這每輛汽車的馬達數量增加以及卡車轉向純電動車發展的現況下。 牽引逆變器長久以來使用絕緣柵雙極電晶體(IGBT)。不過，隨著半導體技術進步，碳化矽(SiC)金屬氧化物半導體場效應電晶體...

本文說明了絕緣閘極雙極性電晶體(IGBT)、閘極關閉晶體閘流管(GTO)以及晶體閘流管等高功率半導體在脈衝式電源應用中的應用。為了達到所要求的功率水準，像是高功率半導體的堆疊，就需要能啟動高電壓、高電流的條件(圖1)。 圖1　高功率半導體的堆疊配置範例 透過本文將認識脈衝式電源系統中的各項高功率半導體應用，並針對IGBT、GTO、傳統晶體閘流管，或者以矽晶圓控制的整流器(SCR)等方式進行考慮。另外，還將介紹如何選取適當的裝置技術、裝置串聯/並聯、閘極驅動資訊，以及實際方法。 功率半導體類型介紹 自1990年代初期起，功率半導體早已使用在粒子物理、研究領域的脈衝式電源系統中。而近年隨著裝置技術發展，和產業界更深入了解脈衝條件下的裝置效能，使得商業應用越來越廣泛。舉例來說，以半導體為主而製做的各種元件，如雷射驅動裝置、臭氧產生器、紫外線殺菌，以及靜電集塵器等應用，已變成標準配備。 而半導體主要解決方案的原因，包括長期可靠度、使用過程不需要進行維護，以及整個產品使用壽命期間的系統成本。不過，使用半導體仍需克服困難，例如系統體積和重量、複雜性，以及不易取得相關的資訊。對此，本文希望能夠解決最後這一項問題。 目前市面上有各類型的半導體裝置和技術，而有許多產品特性非常適合脈衝式電源應用。然而，基本上最主要被使用於脈衝式電源的兩款產品，分別為晶體閘流管、電晶體。 表1對於目前市面上較為常見的一些技術做了簡要的總覽。 快速開啟晶體閘流管 廣泛使用的脈衝式電源之中的兩種晶體閘流管技術：快速開啟晶體閘流管、改良式閘極關閉晶體閘流管(可被稱為脈衝式晶體閘流管、快速高電流晶體閘流管)。快速開啟晶體閘流管可達到快速轉換效果，因為採用介數位化放大閘極，或者是使用非對稱式架構，藉由犧牲裝置的反向遮蔽作用，達到動態效能最佳化目的(圖2)。 圖2　快速開啟晶體閘流管晶圓 市面上快速開啟晶體閘流管的電壓額定值從1kV~6kV，而晶圓直徑最大可到100mm。以一般半導體裝置的物理特性，若是較大、高電壓的裝置，其開關的切換速度會比較小，也因此電壓較低的裝置會更為緩慢。最大型裝置承受超過最高脈衝電流100kA，當有適當冷卻還可容忍數千安培電流。 將快速開啟晶體閘流管使用於脈衝式電源的應用時，其限制因素通常是正向電流的上升速度(diF/dt)。當晶體閘流管達到負載電流前，會圍繞著閘極架構的周邊而開始被觸發，然後將電流分散到整個晶圓上。當diF/dt很高時，就會在接近閘極架構的位置形成極高的電流密度，若最極端情況下會導致裝置損壞。所以，現代高功率裝置會將重複切換時的極限值設定在1kA/μs左右；而在單脈衝的應用下則大約在2kA/μs。正因為diF/dt功能性有該本質的極限，才會開發出改良版GTO晶體閘流管。 改良版GTO晶體閘流管 在常見之條件下，進行操作標準型GTO晶體閘流管，一般diF/dt額定值在300A/μs~1,000A/μs之間。如果犧牲裝置的關閉功能性且在適當的條件下，甚至可以達到超過20kA/μs。同樣地，一般市面上推出的產品，其電壓額定值可以高達6kV，且最大電流的額定值可能會超過140kA。這種在相對較高的diF/dt條件下進行非常高電壓和電流的切換能力，使得改良式GTO晶體閘流管大受歡迎，成為固態脈衝式電源切換應用最佳的元件選擇。圖3是常見的GTO晶體閘流管晶圓的照片。 圖3　GTO晶體閘流管晶圓 可以看到顯示為黃色部分的閘極區域，實際上會超出陰極的範圍而變成黑色的條狀結構。這種高度的閘極介數位化程度讓標準的GTO晶體閘流管具備關閉的特性，而且讓改良式GTO晶體閘流管具備絕佳的開啟特性。 在市面上常見的電晶體技術中，一直都是使用FET以及IGBT的技術。在某些特別需要高頻作業的應用中，都會採用大型、複雜的串聯或並聯式的MOSFET電晶體陣列。然而到目前為止，針對脈衝式電源應用而言，最適合的應該就是最新一代的高電壓IGBT。 絕緣閘極雙極電晶體 近來IGBT技術的發展，已經可以將電壓額定值從1.7kV推升到3.3kV，現在甚至高達6.5kV。在此同時，最新的裝置架構具備更高電流額定值，對於脈衝式電源應用為吸引力特性。不同技術和製造廠商所推出IGBT之間，電流變化速率diF/dt會有極大的差異，不過各種報告資料顯示其數值都在10kA/μs~30kA/μs之間。IGBT也可以被考慮套用在關閉開關之中，與尺寸相近的晶體閘流管比較起來，IGBT技術和電晶體主要缺點，是相對比較受限的峰值電流容量。 電壓額定值 高功率半導體的電壓額定值是一項重要考量因素。過電壓值只要稍微超過規格5%，並且維持短短數微秒就可能讓半導體裝置損壞；相對而言，像是晶體閘流管和引燃管傳統式技術，即使裝置內部有些微的崩潰，也還能承受短暫的過電壓。 電壓額定值被細分三種基本類型：直流電壓、重複性的峰值電壓，以及非重複性的峰值/突波電壓。針對正向和反向偏壓情況下，電壓值可能會不盡相同；此外，許多電壓額定值會隨著其他裝置作業條件，如溫度和閘極偏壓有所改變。所以在審閱和了解廠商提供的額定值時須注意。 峰值與突波電壓額定值毋須多做解釋，不過，直流電壓額定值的定義就不是這麼明確。長時間暴露在較高的直流電壓下，會縮短半導體裝置預期的使用壽命。圖4彙整常見的6.5kV晶體閘流管與內部100mm矽晶片的關係。 圖4　失效率與直流電壓 在特定的失效比例之下，與電壓較高的裝置比較起來，電壓較低的裝置一般而言可以在直流電壓更接近其峰值額定值的條件下工作。與直徑較大的裝置比較起來，直徑較小的裝置在特定的直流電壓下的失效比例都比較低，這是由於失效機制的統計計算方式所致。如果沒有給定額定值，針對時間足夠的100FIT可靠度，通常會假設是重複性峰值電壓額定值50%。然而，有許多裝置的設計能在更高的直流電壓下進行操作；在這種情形下，就會給定一個特定額定值。 除了所謂的靜態電壓額定值之外，還需要考慮到動態電壓。尤其是許多晶體閘流管類的裝置對於快速、正向偏壓的dv/dt變化率非常敏感。一般市面上的傳統式快速晶體閘流管，其dv/dt額定值都介於200V/μs到1kV/μs之間，而改良式GTO對於dv/dt變化率會更加的敏感。 GTO晶體閘流管電壓額定值說明 GTO晶體閘流管，尤其是針對脈衝式電源的應用而進行改良後的設計，會需要有一般為2V的永久性負閘極偏壓，或者是閘極陰極遮擋電阻，以便能夠穩定地支援其全額度的電壓和dv/dt值。圖5和圖6顯示了其間的關聯性，並且針對常見的脈衝式晶體閘流管做正常化。 圖5　閉塞電壓對閘極陰極電阻...

人們普遍認識到碳化矽(SiC)技術如今已發展成熟，並正逐漸改變電力產業在工業、能源和汽車等眾多領域的許多應用，範圍涵蓋功率從瓦特到兆瓦的不同設計。 這主要是因為SiC比以前的矽(Si)和絕緣閘雙極電晶體(IGBT)應用具備了更多優勢，包括更高的開關頻率，較低的工作溫度，更高的電流和電壓範圍，以及更低的損耗，進而能夠實現更高的功率密度、可靠性和效率。而且，由於溫度較低和磁材更小，因此熱管理和功率元件如今尺寸也變得更小、重量更輕、成本更低，不僅降低了整體的物料清單(BOM)成本，也可實現更小尺寸。 電力技術提升　ESS加速運轉 碳化矽已經是一項成熟的技術，並且普遍用於需要電力傳輸的系統，尤其是用於儲能系統的充電和放電，例如電動車輛充電和具備電池的太陽能供電系統。在這些系統中通常包含多個採用SiC技術的元件，例如DC/DC升壓轉換器、雙向電源逆變器(交流和直流的雙向電源轉換)，以及靈活的電池充電電路。簡而言之，碳化矽能使系統效率提高3%，功率密度提高50%，並能減少被動元件的尺寸和成本。 大多數儲能系統(ESS)都有多階的電源轉換步驟，可讓SiC元件發揮所長。有廠商Wolfspeed提供多種封裝元件，例如蕭特基二極體/MOSFET，還有WolfPACK...