過去數十年，各種能源法規都強調了制造節能型產品的重要性。這大大促進了節能降耗[1]。此外，這些法規和標準為利用諸如SiC MOSFET等新技術優異的特性，設計出更富創新性的家用電器鋪平了道路[2]。采用這些技術有助于制造商獲得最高能效等級認證。

文：英飛凌科技Konstantinos Patmanidis、Stefano Ruzza、Claudio Villani

(資料圖)

引言

不久前，英飛凌推出了一款新開發的高級集成功率器件（IPD）IM105-M6Q1B。IM105-M6Q1B采用7 mm x 7 mm四邊無引線扁平封裝（QFN），將英飛凌CoolSiC技術的諸多優點和堪稱行業標桿的高可靠的高壓驅動集成電路（IC）集于一體。使用這個集成功率器件（IPD），可以設計出具有更高功率密度的低功率電機驅動器，同時突破限制，擴大無散熱片運行條件下的輸出功率范圍。

如圖1所示，設計了一個測試驅動板，用于測試IM105-M6Q1B在典型冰箱壓縮機負載狀態下的性能。圖中還提供了IM105-M6Q1B的框圖。IPD的組成部分包括一個SiC MOSFET半橋（在Vgs = 18 V且Tj = 25°C條件下，其典型通態電阻為257 mΩ）和一個基于絕緣體上硅（SOI）技術的柵極驅動器。相比于標準器件的600 V阻斷電壓，其最大阻斷電壓已增至650 V，可在電網電壓發生波動時提供更大耐壓余量。英飛凌SOI技術用于柵極驅動器的優勢在于高開關頻率[3]、低歐姆（30Ω）單片集成自舉二極管[3、4]和對感性負載切換過程引起的負瞬態具有很強的抗干擾能力[5]。此外，這個柵極驅動器提供了固定的內部死區時間，通常為540 ns，只要外部死區時間比這個值小，就會自動插入，以實現上下橋直通保護。所有這些柵極驅動器功能，以及英飛凌CoolSiC技術的優點，都集成在一個小型表面貼裝器件（SMD）封裝中。

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通態輸出特性

本小節探討了IM105-M6Q1B在兩種柵極偏置電壓（15 V和18 V）下的典型輸出特性。在小功率家電電機驅動器市場，兩種常用的產品是IKD04N60RC2和IPD60R280PFD7S。本小節也將它們的輸出特性與IM105-M6Q1B進行了比較。

第一個輸出特性圖如圖2所示。可以看出，在第一象限運行中，IM105-M6Q1B的壓降大大低于（約4A）IKD04N60RC2的壓降。此外，通常情況下，IM105-M6Q1B的RDS(on)溫度依賴性在Vgs = 15 V時僅為0.11 mΩ/°C，在Vgs = 18 V時略高，為0.2 mΩ/℃。這凸顯了CoolSiC技術的溫度依賴性極小的特征。另一方面，在二極管導通期間的第三象限運行中，IM105-M6Q1B的壓降高于IKD04N60RC2。然而，請注意，二極管僅在死區時間內導通，在應用條件下，死區時間約在0.5到1 μs之間，因此，其造成的損耗微不足道。當SiC MOSFET溝道在第三象限運行中導通時，壓降略低于第一象限運行中的壓降。

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圖3所示為第二個比較圖。顯然，在Tj = 25°C條件下，IPD60R280PFD7S在第一象限運行中的壓降低于IM105-M6Q1B。當Vgs = 10 V且Tj = 25°C時，IPD60R280PFD7S的典型RDS(on)為233 mΩ。如其數據表所列，對于這種器件類型，增加柵極偏壓并不會進一步降低壓降。除此之外，還可以看出，IPD60R280PFD7S的壓降溫度依賴性明顯高于IM105-M6Q1B。IPD60R280PFD7S的典型RDS(on)溫度依賴性約為2.53 mΩ/°C，因此當結溫升高時，其導通損耗將高于IM105-M6Q1B。同樣地，當二極管加正向偏壓時，IPD60R280PFD7S的壓降低于IM105-M6Q1B。

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最后，圖4顯示了上述器件的典型動態損耗總值，這些數據是使用典型的雙脈沖測試裝置測得。請注意，本分析不包括反向恢復損耗，因為它們對總損耗的影響相對較小。兩種器件的電壓變化率dv/dt均調節為6.5 – 7 V/ns左右，以確保公平比較。IM105-M6Q1B的開關速度由其集成柵極驅動器在內部調節為6至7 V/ns（20–80%）。

測試表明，相比于IKD04N60RC2，特別是相比于IPD60R280PFD7S，IM105-M6Q1B的功率損耗低得多，其功率損耗主要取決于導通損耗。最后，IM105-M6Q1B的動態損耗對溫度的依賴性可以忽略不計，而其他器件，哪怕當Tj=100°C時，損耗也開始顯著增加。

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典型冰箱壓縮機仿真分析

典型冰箱壓縮機的完整工作循環包括多個工作點。其中兩個最獨特的工作點是額定工作點（輸出功率約為40 W）和高負載工作點（輸出功率約為160 W）。本分析使用了PLECS?軟件工具來仿真計算三個器件的功率損耗。圖5和圖6所示為仿真結果和典型應用條件。在這些仿真中，殼溫設置為Tc=110°C。受限于材料特性，這通常是印刷電路板（PCB）的最高工作殼溫。在輕負載或額定負載條件下，IM105-M6Q1B的損耗比IPD60R280PFD7S低了近43%，更比IKD04N60RC2低60%。在這些條件下，將柵極電壓增至Vgs＝18V并沒有帶來明顯益處。

在高負載的情況下，IM105-M6Q1B的損耗比IPD60R280PFD7S低了近37%，更比IKD04N60RC2低64%。在這個測試中，將IM105-M6Q1B的柵極電壓增至Vgs＝18V，使損耗相對于柵極電壓Vgs＝15V時降低了14%，這是IM105-M6Q1B可實現的最低損耗。

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逆變器級的效率計算如表1所示。本分析考慮了一個兩電平三相逆變器，即，總共6顆器件。在標稱負載下，IM105-M6Q1B的總效率增加量比IKD04N60RC2多2.7%，比IPD60R280PFD7S多近1%。在高負載條件下，相比于IKD04N60RC2和IPD60R280PFD7S，效率分別增加了約為1.5%和0.5%。

表1：6橋兩電平三相逆變器的效率計算