過(guò)去數(shù)十年，各種能源法規(guī)都強(qiáng)調(diào)了制造節(jié)能型產(chǎn)品的重要性。這大大促進(jìn)了節(jié)能降耗[1]。此外，這些法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)為利用諸如SiC MOSFET等新技術(shù)優(yōu)異的特性，設(shè)計(jì)出更富創(chuàng)新性的家用電器鋪平了道路[2]。采用這些技術(shù)有助于制造商獲得最高能效等級(jí)認(rèn)證。
文：英飛凌科技Konstantinos Patmanidis、Stefano Ruzza、Claudio Villani
(資料圖)
引言
不久前，英飛凌推出了一款新開(kāi)發(fā)的高級(jí)集成功率器件（IPD）IM105-M6Q1B。IM105-M6Q1B采用7 mm x 7 mm四邊無(wú)引線(xiàn)扁平封裝（QFN），將英飛凌CoolSiC技術(shù)的諸多優(yōu)點(diǎn)和堪稱(chēng)行業(yè)標(biāo)桿的高可靠的高壓驅(qū)動(dòng)集成電路（IC）集于一體。使用這個(gè)集成功率器件（IPD），可以設(shè)計(jì)出具有更高功率密度的低功率電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，同時(shí)突破限制，擴(kuò)大無(wú)散熱片運(yùn)行條件下的輸出功率范圍。
如圖1所示，設(shè)計(jì)了一個(gè)測(cè)試驅(qū)動(dòng)板，用于測(cè)試IM105-M6Q1B在典型冰箱壓縮機(jī)負(fù)載狀態(tài)下的性能。圖中還提供了IM105-M6Q1B的框圖。IPD的組成部分包括一個(gè)SiC MOSFET半橋（在Vgs = 18 V且Tj = 25°C條件下，其典型通態(tài)電阻為257 mΩ）和一個(gè)基于絕緣體上硅（SOI）技術(shù)的柵極驅(qū)動(dòng)器。相比于標(biāo)準(zhǔn)器件的600 V阻斷電壓，其最大阻斷電壓已增至650 V，可在電網(wǎng)電壓發(fā)生波動(dòng)時(shí)提供更大耐壓余量。英飛凌SOI技術(shù)用于柵極驅(qū)動(dòng)器的優(yōu)勢(shì)在于高開(kāi)關(guān)頻率[3]、低歐姆（30Ω）單片集成自舉二極管[3、4]和對(duì)感性負(fù)載切換過(guò)程引起的負(fù)瞬態(tài)具有很強(qiáng)的抗干擾能力[5]。此外，這個(gè)柵極驅(qū)動(dòng)器提供了固定的內(nèi)部死區(qū)時(shí)間，通常為540 ns，只要外部死區(qū)時(shí)間比這個(gè)值小，就會(huì)自動(dòng)插入，以實(shí)現(xiàn)上下橋直通保護(hù)。所有這些柵極驅(qū)動(dòng)器功能，以及英飛凌CoolSiC技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，都集成在一個(gè)小型表面貼裝器件（SMD）封裝中。
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圖1：驅(qū)動(dòng)板測(cè)試車(chē)和IM105-M6Q1B框圖
通態(tài)輸出特性
本小節(jié)探討了IM105-M6Q1B在兩種柵極偏置電壓（15 V和18 V）下的典型輸出特性。在小功率家電電機(jī)驅(qū)動(dòng)器市場(chǎng)，兩種常用的產(chǎn)品是IKD04N60RC2和IPD60R280PFD7S。本小節(jié)也將它們的輸出特性與IM105-M6Q1B進(jìn)行了比較。
第一個(gè)輸出特性圖如圖2所示?？梢钥闯觯诘谝幌笙捱\(yùn)行中，IM105-M6Q1B的壓降大大低于（約4A）IKD04N60RC2的壓降。此外，通常情況下，IM105-M6Q1B的RDS(on)溫度依賴(lài)性在Vgs = 15 V時(shí)僅為0.11 mΩ/°C，在Vgs = 18 V時(shí)略高，為0.2 mΩ/℃。這凸顯了CoolSiC技術(shù)的溫度依賴(lài)性極小的特征。另一方面，在二極管導(dǎo)通期間的第三象限運(yùn)行中，IM105-M6Q1B的壓降高于IKD04N60RC2。然而，請(qǐng)注意，二極管僅在死區(qū)時(shí)間內(nèi)導(dǎo)通，在應(yīng)用條件下，死區(qū)時(shí)間約在0.5到1 μs之間，因此，其造成的損耗微不足道。當(dāng)SiC MOSFET溝道在第三象限運(yùn)行中導(dǎo)通時(shí)，壓降略低于第一象限運(yùn)行中的壓降。
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圖2：IM105-M6Q1B的通態(tài)輸出特性與IKD04N60RC2對(duì)比
圖3所示為第二個(gè)比較圖。顯然，在Tj = 25°C條件下，IPD60R280PFD7S在第一象限運(yùn)行中的壓降低于IM105-M6Q1B。當(dāng)Vgs = 10 V且Tj = 25°C時(shí)，IPD60R280PFD7S的典型RDS(on)為233 mΩ。如其數(shù)據(jù)表所列，對(duì)于這種器件類(lèi)型，增加?xùn)艠O偏壓并不會(huì)進(jìn)一步降低壓降。除此之外，還可以看出，IPD60R280PFD7S的壓降溫度依賴(lài)性明顯高于IM105-M6Q1B。IPD60R280PFD7S的典型RDS(on)溫度依賴(lài)性約為2.53 mΩ/°C，因此當(dāng)結(jié)溫升高時(shí)，其導(dǎo)通損耗將高于IM105-M6Q1B。同樣地，當(dāng)二極管加正向偏壓時(shí)，IPD60R280PFD7S的壓降低于IM105-M6Q1B。
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圖3：IM105-M6Q1B的通態(tài)輸出特性與IPD60R280PFD7S對(duì)比
最后，圖4顯示了上述器件的典型動(dòng)態(tài)損耗總值，這些數(shù)據(jù)是使用典型的雙脈沖測(cè)試裝置測(cè)得。請(qǐng)注意，本分析不包括反向恢復(fù)損耗，因?yàn)樗鼈儗?duì)總損耗的影響相對(duì)較小。兩種器件的電壓變化率dv/dt均調(diào)節(jié)為6.5 – 7 V/ns左右，以確保公平比較。IM105-M6Q1B的開(kāi)關(guān)速度由其集成柵極驅(qū)動(dòng)器在內(nèi)部調(diào)節(jié)為6至7 V/ns（20–80%）。
測(cè)試表明，相比于IKD04N60RC2，特別是相比于IPD60R280PFD7S，IM105-M6Q1B的功率損耗低得多，其功率損耗主要取決于導(dǎo)通損耗。最后，IM105-M6Q1B的動(dòng)態(tài)損耗對(duì)溫度的依賴(lài)性可以忽略不計(jì)，而其他器件，哪怕當(dāng)Tj=100°C時(shí)，損耗也開(kāi)始顯著增加。
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圖4：不同開(kāi)關(guān)電流和溫度條件下的開(kāi)通和關(guān)斷動(dòng)態(tài)損耗之和
典型冰箱壓縮機(jī)仿真分析
典型冰箱壓縮機(jī)的完整工作循環(huán)包括多個(gè)工作點(diǎn)。其中兩個(gè)最獨(dú)特的工作點(diǎn)是額定工作點(diǎn)（輸出功率約為40 W）和高負(fù)載工作點(diǎn)（輸出功率約為160 W）。本分析使用了PLECS?軟件工具來(lái)仿真計(jì)算三個(gè)器件的功率損耗。圖5和圖6所示為仿真結(jié)果和典型應(yīng)用條件。在這些仿真中，殼溫設(shè)置為T(mén)c=110°C。受限于材料特性，這通常是印刷電路板（PCB）的最高工作殼溫。在輕負(fù)載或額定負(fù)載條件下，IM105-M6Q1B的損耗比IPD60R280PFD7S低了近43%，更比IKD04N60RC2低60%。在這些條件下，將柵極電壓增至Vgs＝18V并沒(méi)有帶來(lái)明顯益處。
在高負(fù)載的情況下，IM105-M6Q1B的損耗比IPD60R280PFD7S低了近37%，更比IKD04N60RC2低64%。在這個(gè)測(cè)試中，將IM105-M6Q1B的柵極電壓增至Vgs＝18V，使損耗相對(duì)于柵極電壓Vgs＝15V時(shí)降低了14%，這是IM105-M6Q1B可實(shí)現(xiàn)的最低損耗。
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圖5：在特定的額定負(fù)載條件下典型冰箱壓縮機(jī)的功率損耗分割圖
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圖6：在特定的高負(fù)載條件下典型冰箱壓縮機(jī)的功率損耗分割圖
逆變器級(jí)的效率計(jì)算如表1所示。本分析考慮了一個(gè)兩電平三相逆變器，即，總共6顆器件。在標(biāo)稱(chēng)負(fù)載下，IM105-M6Q1B的總效率增加量比IKD04N60RC2多2.7%，比IPD60R280PFD7S多近1%。在高負(fù)載條件下，相比于IKD04N60RC2和IPD60R280PFD7S，效率分別增加了約為1.5%和0.5%。
表1：6橋兩電平三相逆變器的效率計(jì)算
