国产高压IGBT和MOSFET实战应用方案

发布时间:2024-01-2 阅读量:2322 来源: 我爱方案网 作者: bebop

国产替代在功率器件应用领域发展迅速。我爱方案网在导入上海贝岭IGBT产品的DI/DW过程中,发现在高密度电源和大电流驱动应用中,客户青睐其产品的特点包括:击穿电压高,可提供更高的点火电压;阈值电压VTH低,可兼容逻辑电平,使驱动电路更简单,降低系统成本;饱和压降VCE((SAT)低,可减小IGBT导通损耗,降低器件工作温升;自钳位开关能量ESCIS和自钳位开关电流ISCIS耐受能力强等。

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上海贝岭是国内领先的集成电路研发企业,具备独立的MOSFET和IGBT芯片设计能力,掌握屏蔽栅功率MOSFET、超级结功率MOSFET、IGBT等器件技术。
公司持续推进高端MOSFET、IGBT的开发和产业化,已推出先进的屏蔽栅功率MOSFET、超级结功率MOSFET和IGBT产品,拥有覆盖30V~1500V电压范围、10A~150A电流范围的多款细分型号,部分产品的参数性能与国外一线品牌同类产品基本相当,公司中压功率MOSFET完成屏蔽栅技术开发,相关产品已成功导入终端客户并实现量产,公司IGBT产品完成Trench FS技术开发,已在汽车点火系统、车载空调等终端实现设计导入,并开始量产,其他多功率产品已经陆续进入功率电源、电机控制和锂电保护等市场。
贝岭大电流驱动型IGBT:BLG40T120
针对三相逆变焊机的普遍需求,上海贝岭推出了型号为BLG40T120的1200V/40A高速IGBT器件。该器件具有开关速度快、关断损耗小等特点,可满足客户大功率和高效率设计要求。目前,该IGBT产品已在国内部分焊机客户批量使用。
应用场景:
三相逆变焊机、空调PTC
产品特点/优势:
1.上海贝岭1200V/40A IGBT产品BLG40T120采用了沟槽栅场终止结构和特殊工艺控制,优化了VCE(on)和Eoff参数,提升了产品的可靠性。
2.BLG40T120具有较小的寄生电容,保证了器件有更高的开关速度。
3.BLG40T120具有较小的IGBT器件关断损耗和通态损耗,搭配正向压降较低的续流二极管,显著减小了器件的总损耗。开关损耗的减小可间接提高开关频率。
4.BLG40T120具有较低的Qg ,有助于降低对栅极驱动的功率能力的要求,更易驱动。
贝岭电机驱动用IGBT:BLG15T65
针对中小功率电机驱动系统具体要求,上海贝岭推出了新的650V  15AIGBT产品BLG15T65以及。通过改善Vce-Eoff的折中性能,实现了低Vce(on)和高可靠性,降低了IGBT器件通态损耗。市场工业缝纫机驱动器主流方案拆解后如图3所示。

市场主流工业缝纫机驱动器

应用场景:

工业缝纫机、园林水泵,充电机,变频器,逆变器,焊机等。

产品特点/优势:

1.BLG15T65有更低的导通压降Vce(sat),可显著降低器件工作时通态损耗。

2.BLG15T65具有较小的寄生电容,这保证了器件有更高的开关速度,可以适应更高的开关频率和较低的开关损耗(Eon/Eoff)。

3.BLG15T65较低的Qg 也有助于降低对栅极驱动的功率能力的要求,驱动更容易。

4.BLG15T65在开关损耗和通态损耗都有较好表现,真实应用中替换竞品后温升效果会有明显改善。

另外,上海贝岭650V产品比较齐全,除了15A之外,还有20A/30A/40A/50A/60A/75A等不同电流规格的IGBT产品可选。

贝岭燃油发动机点火器IGBT:BLG3040,BLQG3043,BLQG3040A
目前燃油发动机和汽车发动机的点火器主要采用“插接式”线圈,消除高压接线,并集成绝缘栅双极型晶体管(IGBT)器件及其驱动电路,使汽车点火系统更加紧凑和简单。

BLG3040,BLQG3043,BLQG3040A是上海贝岭推出的400V 300mJ燃油、汽车点火IGBT产品,具有自钳位功能,低导通压降,高钳位能量以及ESD保护功能,可应用于燃油发动机点火控制器。


应用场景:
燃油发动机点火控制器,线圈接通插头应用
产品特点/优势:
1.击穿电压高,可提供更高的点火电压;
2.阈值电压VTH低,可兼容逻辑电平,使驱动电路更简单,降低系统成本;
3.饱和压降VCE(SAT) 低,可减小IGBT导通损耗,降低器件工作温升;
4.自钳位开关能量ESCIS和自钳位开关电流ISCIS耐受能力强;
5.产品的温升表现优于主流厂商产品
6.严格按照汽车行业分立半导体器件可靠性标准AEC-Q101进行了可靠性认证
IGBT和MOSFET基础知识
IGBT是结合了MOSFET和双极晶体管优点的晶体管。MOSFET由于栅极是隔离的,因此具有输入阻抗高、开关速度较快的优点,但缺点是在高电压时导通电阻较高。双极晶体管即使在高电压条件下导通电阻也很低,但存在输入阻抗低和开关速度慢的缺点。通过弥补这两种器件各自的缺点,IGBT成为一种具有高输入阻抗、开关速度快 (IGBT开关速度比MOSFET慢,但仍比双极晶体管快。) ,即使在高电压条件下也能实现低导通电阻的晶体管。 
IGBT 模块有多种封装类型,最大规格的额定电压为 3300 伏或以上,设计用于兆瓦级装置,如可再生能源系统、不间断电源和超大型电机驱动。中型模块的额定电压通常为 600 至 1700 伏,适用于各种应用,包括电动汽车、工业电机驱动和太阳能逆变器。
最小的器件被称为集成功率模块,额定电压为 600 伏,可包括内置栅极驱动器和其他组件,用于小型工业系统和消费类白色家电中的电机驱动。与其他类型的功率开关元件相比,IGBT 实现了更高的功率水平和更低的开关频率
电动汽车及光伏是IGBT主要增量市场
应用场景方面,电动汽车将是未来IGBT应用的最大市场,IGBT主要应用于电机驱动的主逆变器、充电相关的车载充电器(OBC)与直流电压转换器(DC/DC),另外还在一些辅逆变器中完成小功率DC-AC转换。据了解,一辆电动汽车使用的IGBT数量高达上百颗,是传统燃油车的七到十倍,能占到整车成本的7%-10%。
IGBT还是光伏逆变器、储能变流器的核心半导体部件,对电能起到整流、逆变等作用,以实现新能源发电的交流并网、储能电池的充放电等功能。其中光伏逆变器是主要应用场景,光伏IGBT占到逆变器成本的10%-15%,基本发电并网的需求,光伏IGBT对可靠性的要求非常高,光伏电池板发出的电能要输入到电网中,需要最大化的发挥出IGBT模块的性能以保持电网的稳定性。
目前,受益于新能源汽车和新能源发电的需求大幅增加,中国IGBT市场规模将持续增长,据东海证券报告,到2026年,中国IGBT市场规模有望达到685.78亿人民币,年复合增长率达21.48%,从下游占比来看,2026年预计新能源汽车、工业控制、变频白电、新能源发电、轨道交通分别为60%、18%、15%、6%以及 1%,工业控制与变频白电市场虽大,但已然发展成熟,成长空间有限,而轨道交通则市场太小影响有限。
结语:
历经多年,作为功率器件的重要一脉,IGBT在高压应用中的地位至今还没有其他器件可以取代,下游应用市场也从消费电子拓展到工控,并瞄准光伏需求,国内厂商基于本土优势,售价较海外可降低20%左右,拥有价格优势,在产能不缺的情况下,将进入加快国产替代的增长阶段。

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