摘要
隨著汽車電動(dòng)化推進(jìn)，智能充電基礎(chǔ)設(shè)施正在迅速普及，智能電網(wǎng)內(nèi)部的V2G車輛給電網(wǎng)充電應(yīng)用也是方興未艾，越來(lái)越多的應(yīng)用領(lǐng)域要求有源前端電力變換器具有雙向電流變換功能。本文在典型的三相電力應(yīng)用中分析了SiC功率MOSFET在高頻PFC變換器中的應(yīng)用表現(xiàn)，證明碳化硅電力解決方案的優(yōu)勢(shì)，例如，將三相兩電平全橋(B6)變換器和NPC2三電平(3L-TType)變換器作為研究案例，并與硅功率半導(dǎo)體進(jìn)行了輸出功率和開(kāi)關(guān)頻率比較。
前言
隨著汽車電動(dòng)化推進(jìn)，智能充電基礎(chǔ)設(shè)施正在迅速普及，智能電網(wǎng)內(nèi)部的V2G車輛給電網(wǎng)充電應(yīng)用也是方興未艾，越來(lái)越多的應(yīng)用領(lǐng)域要求有源前端電力變換器具有雙向電流變換功能。本文在典型的三相電力應(yīng)用中分析了SiC功率MOSFET在高頻PFC變換器中的應(yīng)用表現(xiàn)，證明碳化硅電力解決方案的優(yōu)勢(shì)。
在有源前端雙向變換器內(nèi)的SiC MOSFET
電力變換器拓?fù)涞倪x擇與半導(dǎo)體技術(shù)的可用性密切相關(guān)。最近推出的碳化硅(SiC)有源開(kāi)關(guān)技術(shù)即SiC MOSFET，將電力變換拓?fù)渫卣沟介_(kāi)關(guān)頻率更高的應(yīng)用領(lǐng)域。圖1給出了典型技術(shù)與功率大小和開(kāi)關(guān)頻率的關(guān)系圖。SiC器件的應(yīng)用領(lǐng)域相當(dāng)廣泛，并且隨著技的發(fā)展和生產(chǎn)成本優(yōu)化，其應(yīng)用范圍還在不斷擴(kuò)大。
圖1：技術(shù)與應(yīng)用定位圖
本文對(duì)采用硅基IGBT和SiC MOSFET兩種不同的功率半導(dǎo)體技術(shù)的典型三相兩電平全橋(B6)和NPC2三電平(3L-TType)雙向電力變換器進(jìn)行了能效與開(kāi)關(guān)頻率關(guān)系評(píng)測(cè)。
圖2：基于SiC MOSFET的兩電平全橋(B6)和NPC2三電平(3L-TT)雙向PFC變換器
使用表1中列出的公式進(jìn)行計(jì)算了兩電平轉(zhuǎn)換器的功率損耗，其中包括導(dǎo)通損耗和開(kāi)關(guān)損耗。計(jì)算公式考慮了調(diào)制指數(shù)M=Vac/(Vdc/2)，以及決定雙向轉(zhuǎn)換器工作模式的輸入電壓和電流之間的相位角。開(kāi)關(guān)損耗的特性數(shù)據(jù)是基本參數(shù)，可以從數(shù)據(jù)手冊(cè)中獲取，并根據(jù)所考慮的輸出電壓Vdc和開(kāi)關(guān)電流IL，考慮開(kāi)關(guān)能量值的比例因子。三電平T型變換器的功耗計(jì)算需要采用專門的公式[2]，將放在最終論文中討論。
表1：功率損耗計(jì)算公式
計(jì)算過(guò)程已考慮到表2中列出的電力變換器的規(guī)格和表3中列出的圖2電路所用的電力電子器件，評(píng)估了兩個(gè)變換器的導(dǎo)通損耗和開(kāi)關(guān)損耗，以及半導(dǎo)體能效與開(kāi)關(guān)頻率的函數(shù)關(guān)系。考慮到變換器有整流器和逆變器兩個(gè)模式，將開(kāi)關(guān)頻率范圍設(shè)定在10kHz至100kHz之間，評(píng)測(cè)結(jié)果如圖3和圖4所示。觀察能效評(píng)測(cè)結(jié)果不難發(fā)現(xiàn)，隨著開(kāi)關(guān)頻率增加，SiC MOSFET的優(yōu)勢(shì)明顯高于硅基IGBT，在兩電平全橋拓?fù)渲校瑑烧咴?00kHz時(shí)能效差距高達(dá)10％，最終版論文將進(jìn)行全面的探討。最后，為了驗(yàn)證計(jì)算結(jié)果，開(kāi)發(fā)了一個(gè)可配置的測(cè)試平臺(tái)，如圖5所示，測(cè)試結(jié)果將列在在最終版論文中。
表2：電力變換器規(guī)格 表3：功率器件的特性
圖3：兩電平電力變換器的功率損耗和能效與開(kāi)關(guān)頻率的關(guān)系：IGBT vs SiC MOSFET
圖4：三電平3LTT電力變換器的功率損耗和能效與開(kāi)關(guān)頻率的關(guān)系：IGBT vs SiC MOSFET
圖5 –測(cè)試平臺(tái)原型的原理圖和實(shí)物圖。
結(jié)論
本文評(píng)測(cè)了大功率 PFC 的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，介紹了 SiC MOSFET 在高頻高壓應(yīng)用中的性能。特別是，在兩電平變換器中，SiC MOSFET與IGBT相比的優(yōu)勢(shì)更加明顯，因?yàn)楦哳l開(kāi)關(guān)最大輸出直流電壓需要擊穿電壓更高的半導(dǎo)體器件，這對(duì)能效有不利的影響，在100kHz時(shí)，將能效降低多達(dá)10％。
參考文獻(xiàn)
[1]J. W. Kolar and T. Friedli, "The Essence of Three-Phase PFC Rectifier Systems—Part I," in IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 28, no. 1, pp. 176-198, Jan. 2013, doi:10.1109/TPEL.2012.2197867.
[2]M. Schweizer, T. Friedli, and J.W. Kolar “Comparative Evaluation of Advanced Three-Phase Three-Level Inverter/Converter Topologies Against Two-Level Systems. IEEE Transactions on Industrial Electronics. 60. 5515- 5527.10.1109/TIE.2012.2233698.
[3]Datasheet STGW25H120DF2,STMicroelectronics;
[4]Datasheet STGB30H60DFB, STMicroelectronics;
[5]Datasheet SCTW40N120,STMicroelectronics;
[6]Datasheet SCTW35N65G2V,STMicroelectronics.
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史海拾趣
Agere Systems（后來(lái)被LSI Logic收購(gòu)）是一家在半導(dǎo)體行業(yè)具有重要影響力的公司之一。以下是該公司發(fā)展的五個(gè)相關(guān)故事：
公司成立和發(fā)展：Agere Systems成立于2000年，是由Lucent Technologies的微電子部門分拆而成。公司總部位于美國(guó)新澤西州的默里斯敦市。Agere Systems專注于開(kāi)發(fā)半導(dǎo)體解決方案，包括通信芯片、存儲(chǔ)芯片和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。通過(guò)不斷的技術(shù)創(chuàng)新和市場(chǎng)拓展，Agere Systems在短時(shí)間內(nèi)成為半導(dǎo)體行業(yè)的領(lǐng)軍企業(yè)之一。
無(wú)線通信技術(shù)：Agere Systems在無(wú)線通信技術(shù)方面取得了重大突破，推動(dòng)了移動(dòng)通信產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。該公司開(kāi)發(fā)了一系列的基帶處理器和射頻芯片，用于手機(jī)和其他移動(dòng)設(shè)備中的無(wú)線通信。這些技術(shù)的應(yīng)用使得移動(dòng)通信設(shè)備具有更高的性能、更低的功耗和更廣泛的覆蓋范圍，促進(jìn)了全球移動(dòng)通信市場(chǎng)的快速增長(zhǎng)。
存儲(chǔ)解決方案：除了在通信領(lǐng)域取得成功外，Agere Systems還致力于開(kāi)發(fā)先進(jìn)的存儲(chǔ)解決方案。該公司生產(chǎn)的存儲(chǔ)芯片和控制器廣泛應(yīng)用于硬盤驅(qū)動(dòng)器、固態(tài)硬盤和存儲(chǔ)系統(tǒng)中，為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和處理提供了關(guān)鍵的技術(shù)支持。Agere Systems的存儲(chǔ)產(chǎn)品以其高速、高效和可靠性而聞名，成為許多數(shù)據(jù)中心和企業(yè)用戶的首選。
公司并購(gòu)與重組：在Agere Systems發(fā)展的過(guò)程中，該公司進(jìn)行了多次并購(gòu)和重組以加強(qiáng)自身實(shí)力和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。2007年，LSI Logic公司宣布收購(gòu)Agere Systems，將兩家公司的技術(shù)和資源整合在一起，共同致力于推動(dòng)半導(dǎo)體行業(yè)的發(fā)展。通過(guò)這一合并，LSI Logic擴(kuò)大了其在存儲(chǔ)和通信領(lǐng)域的市場(chǎng)份額，進(jìn)一步鞏固了在全球半導(dǎo)體市場(chǎng)的領(lǐng)導(dǎo)地位。
技術(shù)創(chuàng)新與發(fā)展：Agere Systems始終把技術(shù)創(chuàng)新作為公司發(fā)展的核心驅(qū)動(dòng)力。該公司投入大量資源用于研發(fā)，并與全球各地的科研機(jī)構(gòu)和合作伙伴進(jìn)行緊密合作。Agere Systems持續(xù)推出高性能、低功耗的芯片產(chǎn)品，并不斷改進(jìn)現(xiàn)有產(chǎn)品的性能和功能，以滿足客戶不斷增長(zhǎng)的需求。通過(guò)持續(xù)的技術(shù)創(chuàng)新和產(chǎn)品優(yōu)化，Agere Systems在半導(dǎo)體行業(yè)保持了競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，并為客戶提供了更加先進(jìn)和可靠的解決方案。
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在國(guó)際化發(fā)展的過(guò)程中，Datapro International Inc公司遇到了許多挑戰(zhàn)和困難。然而，他們憑借堅(jiān)定的信念和不懈的努力，成功克服了這些困難。他們深入了解當(dāng)?shù)厥袌?chǎng)和文化背景，并根據(jù)市場(chǎng)需求和客戶需求不斷調(diào)整產(chǎn)品和服務(wù)策略。這些努力使得Datapro International Inc公司在海外市場(chǎng)取得了顯著的成果。
Analytic Instruments Corp成立于XXXX年，最初由幾位熱衷于電子測(cè)量與分析技術(shù)的工程師創(chuàng)立。他們憑借對(duì)行業(yè)的深刻理解和敏銳的市場(chǎng)洞察力，研發(fā)出了一款具有創(chuàng)新性的電子測(cè)量?jī)x器，該儀器在精度和穩(wěn)定性上均優(yōu)于市場(chǎng)上的同類產(chǎn)品。這一技術(shù)突破使得公司在創(chuàng)業(yè)初期就獲得了市場(chǎng)的認(rèn)可，為后續(xù)的發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
為了在全球市場(chǎng)上保持領(lǐng)先地位，正泰建立了北美、歐洲、亞太等三大全球研發(fā)中心，并與清華大學(xué)、上海交大等國(guó)內(nèi)外知名院校、機(jī)構(gòu)展開(kāi)合作，探索“產(chǎn)學(xué)研”融合模式。通過(guò)整合全球創(chuàng)新資源，正泰在智能電網(wǎng)、新能源電車充電設(shè)施等前沿領(lǐng)域取得了一系列創(chuàng)新進(jìn)展。這種全球研發(fā)體系的建立，不僅提升了公司的研發(fā)能力，也增強(qiáng)了公司的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。
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