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近年來,新能源汽車、充電樁、智能裝備制造、光伏新能源等新興應(yīng)用領(lǐng)域成為功率半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的持續(xù)增長點(diǎn),MOSFET和IGBT等功率半導(dǎo)體獲得了前所未有的關(guān)注。
IGBT 作為一種新型電力電子器件,是國際上公認(rèn)的電力電子技術(shù)第三次革命最具代表性的產(chǎn)品,是工業(yè)控制及自動(dòng)化領(lǐng)域的核心元器件,其作用類似于人類的心臟,能夠根據(jù)工業(yè)裝置中的信號指令來調(diào)節(jié)電路中的電壓、電流、頻率、相位等,以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)調(diào)控的目的。因此,IGBT 被稱為電力電子行業(yè)里的“CPU”,廣泛應(yīng)用于電機(jī)節(jié)能、軌道交通、智能電網(wǎng)、航空航天、家用電器、汽車電子、新能源發(fā)電、新能源汽車等領(lǐng)域。
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經(jīng)過幾十年的發(fā)展,硅正在達(dá)到其性能的極限,Si基器件性能提高的潛力愈來愈小。但新結(jié)構(gòu)和新封裝的引入升級仍推動(dòng)著硅基器件的應(yīng)用和市場發(fā)展。同時(shí),以碳化硅為代表的寬禁帶功率半導(dǎo)體器件憑借其優(yōu)異的性能,逐步應(yīng)用于高壓、高頻、高溫和大功率電力電子領(lǐng)域。SiC被認(rèn)為是一種超越 Si 極限的用于制造功率器件的材料。SiC功率器件面準(zhǔn)的市場是大約600V以上的耐壓用途,基于SiC襯底的IGBT器件甚至可達(dá)到20kV以上超高壓。SiC功率器件可廣泛應(yīng)用于新能源汽車、5G 通訊、光伏發(fā)電、軌道交通、智能電網(wǎng)、航空航天等現(xiàn)代工業(yè)領(lǐng)域,特別是在新能源汽車領(lǐng)域的滲透逐步上升。

1. 光伏

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光伏逆變器按照應(yīng)用場景分為:戶用逆變器,工商業(yè)逆變器,地面電站逆變器。功率半導(dǎo)體器件作為光伏逆變器的核心器件,在其中承擔(dān)著電能轉(zhuǎn)換的功能。戶用逆變器母線電壓一般為500V以下,主要以單管方案為主;組串式逆變器母線電壓為1100V,以三電平PIM模塊為主;地面電站逆變器母線電壓為1500V ,以半橋的大電流模塊為主,三個(gè)半橋模塊拼接成I型三電平的一個(gè)橋臂。
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光伏逆變器電路/PV inverter circuit

1)戶用光伏方案

戶用光伏功率范圍3~20kW,以單管方案為主,部分仍沿用模塊方案。為提高效率,SiC二極管在系統(tǒng)中也有廣泛應(yīng)用。產(chǎn)品封裝一般包括TO220、TO247、TO247-2、TO252、PDFN8*8等。

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2)工商業(yè)及電站光伏方案

工商業(yè)和電站光伏逆變器按照電壓等級分為1100V和1500V兩種。1100V系統(tǒng)多采用基于650V模塊的INPC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)或者基于1200V模塊的TNPC拓?fù)洌?500V系統(tǒng)多采用基于1200模塊的INPC拓?fù)浠蛘呋?700V模塊的TNPC拓?fù)???刹捎枚嗄K并聯(lián)的方式實(shí)現(xiàn)更大功率等級。

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2. 工業(yè)傳動(dòng)

工業(yè)傳動(dòng)變頻器是應(yīng)用變頻技術(shù)與微電子技術(shù),通過改變電機(jī)工作頻率方式來控制交流電動(dòng)機(jī)的電力控制設(shè)備。變頻器主要由整流(交流變直流)濾波、逆變(直流變交流)、制動(dòng)單元、驅(qū)動(dòng)單元、檢測單元微處理單元等組成。工業(yè)傳動(dòng)變頻器主要靠內(nèi)部IGBT的開斷來調(diào)整輸出電源的電壓和頻率,根據(jù)電機(jī)的實(shí)際需要來提供其所需要的電源電壓,進(jìn)而達(dá)到節(jié)能、調(diào)速的目的。

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3. 電源

?電源是位于市電(單相或三相)與負(fù)載之間,向負(fù)載提供所需電能的供電設(shè)備。電源分為普通電源和特種電源兩類:

  • 普通電源可分為:電鍍電源、開關(guān)電源、逆變電源、穩(wěn)壓電源、變頻電源、UPS電源等;

  • 特種電源可分為:高壓電源、醫(yī)療電源、軍用電源、激光電源等。

特種電源即特殊種類的電源。所謂特殊主要是由于衡量電源的技術(shù)指標(biāo)要求不同于常用的電源,其主要是輸出電壓特別高,輸出電流特別大,或者對穩(wěn)定度、動(dòng)態(tài)響應(yīng)及紋波要求特別高,或者要求電源輸出的電壓或電流是脈沖或其它一些要求。

不間斷電源(UPS)是防止銀行計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、醫(yī)院醫(yī)療設(shè)施等在停電和瞬間停電時(shí)系統(tǒng)停機(jī)的電源。一般UPS系統(tǒng)由電池和使用IGBT的逆變器組成。要求電源具有高可靠性和高效率。

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4. 電能質(zhì)量

有源電力濾波器(APF)是一種動(dòng)態(tài)抑制諧波、補(bǔ)償無功的電力電子裝置??梢酝ㄟ^采樣負(fù)載電流并進(jìn)行各次諧波和無功的分離,控制并主動(dòng)輸出電流的大小、頻率和相位,并且快速響應(yīng),抵消負(fù)載中相應(yīng)電流,實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)跟蹤補(bǔ)償,而且可以既補(bǔ)諧波又補(bǔ)無功和不平衡。

靜止無功發(fā)生器(SVG)是與電網(wǎng)并聯(lián)調(diào)節(jié)輸出電壓的相位和幅值,使電路吸收或輸出滿足要求的無功功率,達(dá)到動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償?shù)哪康?。SVG是目前無功功率控制領(lǐng)域內(nèi)的最佳方案。相對于傳統(tǒng)的調(diào)相機(jī)、電容器電抗器、以晶閘管控制電抗器TCR為主要代表的傳統(tǒng)SVC等方式,SVG有著無可比擬的優(yōu)勢。

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5.?儲能系統(tǒng)

儲能逆變器按照耦合方式分為直流側(cè)耦合和交流側(cè)羯合兩種。按照應(yīng)用場景也分為:戶用儲能,工商業(yè)儲能,電站儲能。直流側(cè)儲能從母線取電,通過直流-直流變換器對電池進(jìn)行充放電。交流側(cè)耦合儲能電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與光伏逆變器類似。不同的是儲能需要雙向充放電,因此變流器需要工作在四象限模式,這就對IGBT的反并聯(lián)二極管的規(guī)格有了更高的要求。

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常見的儲能系統(tǒng)電池電壓等級為400V,1000V,1500V。小功率(<50kW)的儲能逆變器以650V,1200V單管方案為主,大功率儲能逆變器多采用三電平模塊方案。

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1)戶用儲能方案

戶用儲能功率范圍3~20kW,以單管方案為主,部分仍沿用模塊方案。為提高效率,SiC二極管在系統(tǒng)中也有廣泛應(yīng)用。產(chǎn)品封裝方案一般選擇TO220、TO247、TO247-2、TO252、PDFN8*8等。

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2)工商業(yè)和電站解決方案

工商業(yè)和電站解決方案功率從30kW~1MW,母線電壓主要有1000V/1500V兩種規(guī)格,模塊方案比較多樣化。1000V母線系統(tǒng)可以采用650V模塊搭建NPC撲,也可以采用1200V模塊搭建TNPC拓?fù)洹?500V母線系統(tǒng)可以采用1200V模塊搭建INPC或者采用1700V模塊搭建TNPC。對于MW級儲能,一般采用多模塊并聯(lián)的方案。
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6.?EV/HEV

電動(dòng)車控制器是用來控制電動(dòng)車的啟動(dòng)、運(yùn)行、加速、停止的核心控制器件。而功率器件又是電動(dòng)車控制器的核心部件。電動(dòng)車對功率器件的體積,重量,可靠性,效率都有著非常高的要求。

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資料參考:銀茂微功率器件應(yīng)用解決方案

原文始發(fā)于微信公眾號(艾邦半導(dǎo)體網(wǎng)):一文看懂在不同領(lǐng)域如何選擇IGBT/SiC功率器件

作者 li, meiyong

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