作者：高天維，Nexperia IGBT 產(chǎn)品線應(yīng)用工程師

在當(dāng)前快速發(fā)展的消費電子市場中，IGBT（絕緣柵雙極晶體管）作為一種核心電子元器件，憑借其卓越的開關(guān)性能、低導(dǎo)通損耗和良好的熱管理能力，成為現(xiàn)代家電技術(shù)的重要組成部分。面對家電行業(yè)對性能與可靠性要求的日益增長以及用戶對能效的高度關(guān)注，安世半導(dǎo)體的 650 V G3 IGBT 以其優(yōu)越的開關(guān)性能、熱性能和嚴(yán)格的可靠性標(biāo)準(zhǔn)脫穎而出，為開發(fā)高效、可靠的家電設(shè)備提供了新選擇，展現(xiàn)出廣泛的應(yīng)用潛力。本文將家電應(yīng)用拆解為三個子應(yīng)用，從電機(jī)拖動、PFC（功率因數(shù)校正）電路、感應(yīng)加熱入手，分別討論安世半導(dǎo)體 650 V G3 平臺的 IGBT 的應(yīng)用優(yōu)勢。

1. 電機(jī)拖動

1.1 電機(jī)拖動在家電中的應(yīng)用介紹

電機(jī)拖動技術(shù)在家電應(yīng)用中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，通過精確控制電機(jī)，實現(xiàn)高效、智能和節(jié)能的運行。它不僅負(fù)責(zé)驅(qū)動設(shè)備，還涉及能量的高效轉(zhuǎn)換，提升了整體性能。

在家電中，電動機(jī)將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，以實現(xiàn)各種功能。例如，洗衣機(jī)中的 Motor Drive 調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和扭矩，以適應(yīng)不同的洗滌模式，從而提高洗凈效果和降低噪音。借助高效的能量轉(zhuǎn)換機(jī)制，洗衣機(jī)能夠更快速地完成洗滌任務(wù)，同時減少水和電的消耗。在空調(diào)中，變頻電機(jī)通過智能調(diào)節(jié)壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速，根據(jù)室內(nèi)溫度變化優(yōu)化制冷和制熱過程。而在吸塵器中，電機(jī)實現(xiàn)了吸力的精確調(diào)節(jié)，使得清潔過程既高效又安靜。

此外，電機(jī)拖動系統(tǒng)能夠進(jìn)一步提升能量利用效率。例如，在某些電器中，制動時產(chǎn)生的機(jī)械能可以被回收轉(zhuǎn)換為電能，供給其他設(shè)備使用。

通過這些應(yīng)用，電機(jī)拖動不僅提升了家電的性能和使用體驗，還促進(jìn)了節(jié)能減排的目標(biāo)，使現(xiàn)代家居生活更加便捷、環(huán)保與智能。


圖 1：Motor in home appliance

在含有電機(jī)拖動的家電應(yīng)用中，最普遍的拓?fù)湫问绞侨�相全橋拓�(fù)洹Ｈ�相全橋拓�(fù)涫且环N常用于三相交流電機(jī)（如異步電機(jī)、永磁同步電機(jī)等）驅(qū)動的電路配置。它由六個開關(guān)器件（通常是 MOSFET 或 IGBT）組成，分別對應(yīng)三相電機(jī)的三個繞組。三相全橋拓?fù)涞幕�本工作原理是通過控制每一相的開關(guān)狀態(tài)來實現(xiàn)對電機(jī)的轉(zhuǎn)動方向和轉(zhuǎn)速的控制。具體來說：

▸ 每相電機(jī)繞組都連接到兩個開關(guān)器件，形成一定的電路。
▸ 通過交替導(dǎo)通不同的開關(guān)，能夠產(chǎn)生在電機(jī)繞組之間的旋轉(zhuǎn)磁場，從而驅(qū)動電機(jī)旋轉(zhuǎn)。
▸ 控制系統(tǒng)通過 PWM 信號控制開關(guān)器件的開關(guān)狀態(tài)，從而調(diào)節(jié)電機(jī)的速度和轉(zhuǎn)矩。


圖 2：Motor drive application diagram

在工業(yè)及家電應(yīng)用中，三相全橋的開關(guān)管的開關(guān)頻率通常較低（<20kHz）。在這種情況下，開關(guān)管的導(dǎo)通損耗通常占據(jù)總損耗的主導(dǎo)部分。由圖 3 可以看出，在給定條件下的電機(jī)拖動應(yīng)用中，IGBT 器件的損耗占比中最高的是導(dǎo)通損耗，占比 71.6%。使用低導(dǎo)通損耗的 IGBT 可以最大幅度提升系統(tǒng)效率和降低結(jié)溫，這對節(jié)能減排以及產(chǎn)品可靠性方面皆有好處。


圖 3：應(yīng)用于電機(jī)拖動中的 IGBT 器件損耗占比

1.2 安世半導(dǎo)體 650 V G3 IGBT 在電機(jī)拖動中的應(yīng)用性能 

安世半導(dǎo)體的 650 V G3 M 系列中速 IGBT 管具有較低的導(dǎo)通損耗以及優(yōu)化的關(guān)斷損耗，非常適合較低開關(guān)頻率（<20 kHz）的場合，例如電機(jī)拖動。同時 175 度的工作結(jié)溫以及較小的熱阻保證了工作時的結(jié)溫余量。嚴(yán)苛的可靠性標(biāo)準(zhǔn)例如 HV- H3TRB 保證了器件在極端情況下的可靠運行。

較低的 Vcesat 與 Vf 

以 NGW50T65M3DFP 中速管為例，遠(yuǎn)低于競品的 Vcesat 以及 Vf 將助力降低電機(jī)拖動應(yīng)用中的損耗，從而保證更高的系統(tǒng)效率及更低的工作結(jié)溫，助力節(jié)能減排以及產(chǎn)品可靠性。


表 1：650 V G3 IGBT 單管產(chǎn)品系列 TO247-3L 封裝


表 2：650 V G3 IGBT 單管產(chǎn)品系列 D2PAK&TO220FP 封裝


圖 4：Vcesat——NGW50T65M3DFP v.s. 競品


圖 5：Vf——NGW50T65M3DFP v.s. 競品

高效率與低溫升 

在 400 V 電機(jī)拖動系統(tǒng)測試中，NGW40T65M3DFP 中速管被用于與競品對比在電機(jī)拖動應(yīng)用中的性能情況。在圖 6 中可以觀測到在不同輸出電流情況下，NGW40T65M3DFP 在不同相上都有更優(yōu)的熱表現(xiàn)。在圖 7 的系統(tǒng)效率 MAP 圖中可以看到，NGW40T65M3DFP 相比于競品，在不同轉(zhuǎn)速和扭矩下具有更大面積的高效率區(qū)域。


圖 6：電機(jī)系統(tǒng)中三相 IGBT 的殼溫表現(xiàn)


圖 7：電機(jī)系統(tǒng)效率 MAP 圖


圖 8：PFC 電路在功率回路的位置

2. PFC

2.1 PFC 在家電中的應(yīng)用介紹

PFC（功率因數(shù)校正）電路在現(xiàn)代家電中起著至關(guān)重要的作用，尤其是在電源設(shè)計方面。隨著對能效和環(huán)保要求的提高，家電產(chǎn)品越來越關(guān)注功率因數(shù)的優(yōu)化，以減少電力損耗和提高電能使用效率。

功率因數(shù)是表征電氣設(shè)備能效的一個重要指標(biāo)，表示有功功率（實際被用來做功的電力）與視在功率（供電系統(tǒng)的總電力）之間的比例。功率因數(shù)的提高可以降低電力損耗，提高電源的利用效率，并減少對電網(wǎng)的負(fù)擔(dān)。

PFC 電路有不同的拓?fù)鋵崿F(xiàn)形式，例如單相 CCM boost PFC、2 通道或 3 通道交錯 CCM PFC、圖騰柱 PFC、交錯圖騰柱 PFC 等，這些拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有其適用的功率范圍。以家用空調(diào)為例，5 kW 以下功率的家用空調(diào)中，單相 CCM boost PFC 和 2 通道的交錯 CCM PFC 比較普遍，開關(guān)頻率通常在 30 kHz 以上，推薦使用安世半導(dǎo)體 H 系列 650V IGBT。

2.2 安世半導(dǎo)體 650 V G3 IGBT 在 PFC 中的應(yīng)用性能 

為進(jìn)一步評估 650 V G3 H 系列 IGBT 在 PFC 中的性能表現(xiàn)，以 NGW40T65H3DHP 為例在 5 kW 交錯 PFC 板上與競品進(jìn)行了對比測試。圖 9 為交錯 PFC 的拓?fù)潆娐贰１?3 和表 4 分別顯示了測試中的競品信息以及測試條件。其中 C 競品為中速 IGBT 管，作為對照組。E 競品為逆導(dǎo) IGBT。


圖 9：交錯 PFC 拓?fù)?BR>
較低的電壓過沖

當(dāng) IGBT 關(guān)斷時，由于功率回路雜感的存在，會在功率開關(guān)兩端形成瞬時的電壓過沖。越低的電壓過沖會有更大的電壓安全裕量，從而減小系統(tǒng)的故障率，提升了穩(wěn)定性。在 400 V 系統(tǒng)中，如果以 85% 的阻斷電壓（這里阻斷電壓是 650 V）定義為安全裕量邊界，那么 NGW40T65H3DHP 的電壓過沖遠(yuǎn)在這之下，且僅略高于競品 C 的中速管。


圖 10：Vpeak - Vin @ 25℃ Full Load

優(yōu)異的 EMI 性能

在現(xiàn)代電力電子應(yīng)用中，尤其是在電機(jī)驅(qū)動、變頻器、開關(guān)電源和家電設(shè)備中，功率器件（如 IGBT 和 MOSFET）的快速開關(guān)能力是實現(xiàn)高效能和優(yōu)化性能的關(guān)鍵。然而，快速開關(guān)也帶來了電磁干擾（EMI）的問題，需要在設(shè)計和應(yīng)用中加以重視。安世半導(dǎo)體 650 V G3 IGBT 具有優(yōu)異的 EMI 性能，為設(shè)計者直接替換開關(guān)管而無需重新進(jìn)行 EMI 設(shè)計提供可能。圖 11 顯示了 NGW40T65H3DHP 與其他競品相比的 dV/dt（電壓變化率）表現(xiàn)。越低的 dV/dt 代表更優(yōu)的 EMI 性能。可以看出 NGW40T65H3DHP 具有最優(yōu)的 EMI 性能，其 dV/dt 甚至略低于 C 競品的中速管。


圖 11：dV/dt 對比@full load@Tamb=55℃

均衡的系統(tǒng)效率 

圖 12 顯示了 NGW40T65H3DHP 與其他競品在 55℃環(huán)境溫度下的系統(tǒng)效率對比。由于兼顧了電壓過沖和 EMI 性能，其在系統(tǒng)效率上的表現(xiàn)略微均衡。D 競品與 E 競品有著最高的系統(tǒng)效率，但同時也有較高的電壓過沖和較遜色的 EMI 性能。


圖 12：Efficiency - Vin @ Tamb=55℃ Full load

優(yōu)異的熱性能 

為了更為公平地對比結(jié)溫表現(xiàn)，利用 PLECS 軟件復(fù)現(xiàn)了測試電路及測試條件。并對功率器件建立熱模型。熱模型包括開關(guān)損耗數(shù)據(jù)，導(dǎo)通損耗數(shù)據(jù)及熱阻網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)。其中，開關(guān)損耗數(shù)據(jù)由實際測試中的波形計算而得。導(dǎo)通損耗和熱阻網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)源自規(guī)格書。圖 13 所示為得到開關(guān)損耗數(shù)據(jù)表格的過程。圖 14 所示為相關(guān)仿真波形。


圖 13：繪制開關(guān)損耗數(shù)據(jù)表格


圖 14：PLECS PFC 仿真波形

在實際測試中系統(tǒng)效率較高的 E 競品（也是客戶常用的型號） 被選為與 NGW40T65H3DHP 進(jìn)行損耗及結(jié)溫對比，結(jié)果如表 5 所示。可以看到競品 E 相比 NGW40T65H3DHP 在損耗方面略有優(yōu)勢。但在平均結(jié)溫方面，NGW40T65H3DHP 有著 9.8℃ 的優(yōu)勢，在最高結(jié)溫方面，有著 18.5℃的優(yōu)勢。這標(biāo)志著更低的靜態(tài)熱阻以及更優(yōu)異的動態(tài)熱響應(yīng)。


表 5：競品 E 與 NGW40T65H3DHP 在 PLECS PFC 仿真中的損耗及結(jié)溫對比@Tamb=25℃

3. 感應(yīng)加熱

3.1 感應(yīng)加熱在家電中的應(yīng)用

感應(yīng)加熱是一種基于電磁感應(yīng)原理的加熱技術(shù)，它通過在導(dǎo)體中產(chǎn)生渦流來實現(xiàn)快速加熱。近年來，感應(yīng)加熱技術(shù)逐漸在家電領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，特別是在廚房電器中，例如電磁爐、電飯煲、部分烤箱等。

感應(yīng)加熱的基本原理是利用交變磁場對導(dǎo)電材料（如金屬）產(chǎn)生的提高溫度的渦流效應(yīng)。當(dāng)高頻電流通過感應(yīng)線圈時，會在其周圍產(chǎn)生交變磁場。如果將具有電導(dǎo)率的材料放置在磁場中，會在材料內(nèi)部產(chǎn)生渦流，從而產(chǎn)生熱量。感應(yīng)線圈通常在拓?fù)渲幸灾C振電感的形式存在，如圖 15 所示為半橋型感應(yīng)加熱的拓?fù)鋱D，感應(yīng)線圈與兩個諧振電容共同組成了諧振電路，兩個開關(guān)管組成半橋驅(qū)動諧振電路。通過調(diào)整開關(guān)管的開關(guān)頻率可以調(diào)整系統(tǒng)的輸出功率。


圖 15：半橋感應(yīng)加熱拓?fù)?BR>
3.2 安世半導(dǎo)體 650 V G3 IGBT 在感應(yīng)加熱中的應(yīng)用性能較低的關(guān)斷損耗

用 PLECS 搭建一個半橋感應(yīng)加熱的仿真電路，并為其設(shè)置了一些仿真參數(shù)（來自客戶），如表 4。


表 4：PLECS Induction heating 仿真條件

我們可以得到圖 16 的 IGBT 以及反并聯(lián)二極管的開關(guān)波形。可以觀察到，在感應(yīng)加熱應(yīng)用中，IGBT 的電流在過零點時處于導(dǎo)通狀態(tài)，所以開通損耗為零，只存在導(dǎo)通損耗和關(guān)斷損耗。這為安世半導(dǎo)體 650 V G3 IGBT 的應(yīng)用創(chuàng)造了優(yōu)勢，因為其關(guān)斷損耗經(jīng)過優(yōu)化后可以維持在較低的水平。如圖 17 所示，在175℃的結(jié)溫條件下，NGW50T65H3DFP 的關(guān)斷損耗遠(yuǎn)低于競品 Comp.1~Comp.3。


圖 16：PLECS Induction heating 波形


圖 17：雙脈沖測試 Eoff - Rg @50A@175℃

較低的損耗及結(jié)溫

如圖 18 所示為 NGW50T65H3DFP、Comp.1 與 Comp.3 在該仿真中所得出的不同開關(guān)頻率下的損耗（Comp2. 未提供熱阻曲線數(shù)據(jù)故未納入仿真）。可以看出，雖然 NGW50T65H3DFP 這顆高速管在導(dǎo)通損耗方面與競品略有差距，但由于其優(yōu)異的開關(guān)損耗，總損耗仍然為最低水平。并且由于其較低的熱阻，仿真結(jié)溫也為最低，如圖 19 所示。


圖 18：PLECS Induction heating, Powerloss - Fsw @Ta=50℃


圖19：PLECS Induction heating, Tj - Fsw@Ta=50℃

小結(jié)

綜上所述，安世半導(dǎo)體的 650 V G3 IGBT 在家電應(yīng)用中的優(yōu)越性能顯著提升了設(shè)備的效率和可靠性。在電機(jī)拖動、PFC（功率因數(shù)校正）電路和感應(yīng)加熱等三大主要領(lǐng)域，650 V G3 IGBT 展現(xiàn)了其在降低損耗、優(yōu)化熱管理和改善電磁干擾（EMI）方面的突出優(yōu)勢。通過合理設(shè)計和高性能集成，這款 IGBT 不僅提升了系統(tǒng)的整體效率，還確保了運行的穩(wěn)定性和耐用性。其嚴(yán)格的可靠性標(biāo)準(zhǔn)也為在各種工作條件下的可靠運行提供了保障，將其定位為家電行業(yè)中現(xiàn)有設(shè)計的優(yōu)秀替代方案及新設(shè)計的理想選擇。憑借這些特性，安世半導(dǎo)體的 650 V G3 IGBT 為消費者的家電產(chǎn)品賦能，推動了智能、節(jié)能和環(huán)保的現(xiàn)代家居生活，展示了其在未來市場中的廣闊前景。

作者簡介

高天維在 2023 年加入 Nexperia，擔(dān)任 IGBT 產(chǎn)品線應(yīng)用工程師，負(fù)責(zé) IGBT 單管及模塊產(chǎn)品定義及應(yīng)用設(shè)計等工作，專注于功率器件性能評估與工業(yè)產(chǎn)品應(yīng)用。