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Si功率元件

發揮其特長的應用事例

空調用PFC電路 : 利用MOSFET和二極體提高效率的案例

上一篇文章中介紹了在LED照明電路中提升效率並降低雜訊的案例,本文將介紹在空調中的案例。近年來,隨著表示全年能效比的APF(Annual Performance Factor)在業界中引入實施,提高空調等家電的效率已成為重要課題之一。

空調用電流連續模式PFC電路:利用MOSFET和二極體提高效率的案例

下面的電路是空調的電流連續模式(CCM)PFC電路示例。接下來是在該電路中,將原始設計中使用的FRD(快速恢復二極體)變更為SiC SBD(蕭特基二極體)“SCS112AM”和另外的FRD“RFUS20TF6S”後,此外,將開關電晶體由原始的IGBT變更為Hybrid MOS“R6035GN”後,以及同時變更電晶體和二極體後,對效率進行比較的結果。

將原始設計中的FRD變更為SiC SBD

將原來使用的FRD變更為SiC SBD後的效率和損耗比較資料如下:

以上是一組實際測量資料。在效率方面,有0.1%~0.2%左右的提升;在損耗方面,當Po=2094W時有約4.2W的差異。

該差異的主要原因是相比原FRD,所替換的SiC SBD的trr(反向恢復時間)更短。在“電流連續模式PFC:利用二極體提高效率的例子”一文中已經介紹過,在電流連續模式PFC中,二極體的trr(反向恢復時間)特性在高速時效率更好。另外,關於SiC-SBD和FRD的反向恢復特性的區別,在“謂SiC-SBD-與Si-PND的反向恢復特性比較”中有詳細說明,請參考。

將原始設計中的IGBT變更為Hybrid MOS

接下來是開關電晶體的不同所帶來的損耗比較資料。此時的二極體為SiC SBD。

通過以上比較可以確認,將開關電晶體從IGBT變更為Hybrid MOS“R6035GN”後,在輸出功率1000W的條件下,損耗可以降低4W。

其原因有兩個。一個是Hybrid MOS的開關速度快,因此開關損耗小;另一個是啟動阻抗小,傳導損耗也小。

從該波形資料可以看出,Hybrid MOS的上升變化速度很快,在○圈出來的部分,損耗比IGBT少。順便提一下,該IGBT是超高速型產品,但還是不及比較對象Hybrid MOSFET。

右側的圖表表示電晶體單體的Ic(Id)對應的啟動阻抗特性。在20A以上的範圍,Hybrid MOSFET的啟動阻抗與IGBT幾乎相同;在20A以下的範圍,啟動阻抗低於IGBT,整體上有望實現更低的損耗。

綠線所表示的R6035GN是標準的Super Junction MOSFET(SJ MOSFET),低電流時的啟動阻抗較低,但在高電流時啟動阻抗略高於IGBT。這是標準的SJ MOSFET的特性。因這些特性差異,在大電流應用中一般選用IGBT,然而IGBT具有在低電流範圍的損耗較大且效率較差的問題。

Hybrid MOS是SJ MOSFET的衍生產品,是具備SJ MOSFET的高速開關性能和低電流時的低啟動阻抗、以及與IGBT相匹敵的大電流時的低阻抗性能的MOSFET。欲瞭解更詳細資訊,請參考“同時具備MOSFET和IGBT優勢的Hybrid MOS”。

變更為Hybrid MOSFET+SiC SBD,效率更高

最後是二極體和開關電晶體這一組合的效率資料。

“原始”是指原設計中使用的IGBT和FRD的組合。“SJ MOS+FRD”是ROHM生產的三款標準的SJ MOSFET和ROHM生產的一款FRD的組合。“Hybrid MOS+FRD”均為ROHM生產的產品。使用綠色背景色的“Hybrid MOSFET+SiC SBD”也均為ROHM生產的產品。

曲線圖是根據表格中的資料繪製而成的,從結果看出,Hybrid MOSFET+SiC SBD的組合可以獲得最高的效率。

關於PFC,在電流連續模式(CCM)臨界模式(BCM)中介紹過,降低損耗的方法略有不同。在改善效率時,需要考慮到這一點。

重點:

・在電流連續模式PFC中,將IGBT+FRD替換為Hybrid MOSFET+SiC SBD可提高效率。

・在該案例中,SiC SBD的高速trr特性、Hybrid MOSFET的低啟動阻抗+高速開關有助於提高效率。


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