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2018.12.20 Si功率元器件

空调用PFC电路 : 利用MOSFET和二极管提高效率的案例

发挥其特征的应用事例

上一篇文章中介绍了在LED照明电路中提升效率并降低噪声的案例,本文将介绍在空调中的案例。近年来,随着表示全年能效比的APF(Annual Performance Factor)在行业中引入实施,提高空调等家电的效率已成为重要课题之一。

空调用电流连续模式PFC电路:利用MOSFET和二极管提高效率的案例

下面的电路是空调的电流连续模式(CCM)PFC电路示例。接下来是在该电路中,将原始设计中使用的FRD(快速恢复二极管)变更为SiC SBD(肖特基势垒二极管)“SCS112AM”和另外的FRD“RFUS20TF6S”后,此外,将开关晶体管由原始的IGBT变更为Hybrid MOS“R6035GN”后,以及同时变更晶体管和二极管后,对效率进行比较的结果。

将原始设计中的FRD变更为SiC SBD

将原来使用的FRD变更为SiC SBD后的效率和损耗比较数据如下:

以上是一组实际测量数据。在效率方面,有0.1%~0.2%左右的提升;在损耗方面,当Po=2094W时有约4.2W的差异。

该差异的主要原因是相比原FRD,所替换的SiC SBD的trr(反向恢复时间)更短。在“电流连续模式PFC:利用二极管提高效率的例子”一文中已经介绍过,在电流连续模式PFC中,二极管的trr(反向恢复时间)特性在高速时效率更好。另外,关于SiC-SBD和FRD的反向恢复特性的区别,在“所谓SiC-SBD-与Si-PND的反向恢复特性比较”中有详细说明,请参考。

将原始设计中的IGBT变更为Hybrid MOS

接下来是开关晶体管的不同所带来的损耗比较数据。此时的二极管为SiC SBD。

通过以上比较可以确认,将开关晶体管从IGBT变更为Hybrid MOS“R6035GN”后,在输出功率1000W的条件下,损耗可以降低4W。

其原因有两个。一个是Hybrid MOS的开关速度快,因此开关损耗小;另一个是导通电阻小,传导损耗也小。

从该波形数据可以看出,Hybrid MOS的上升变化速度很快,在○圈出来的部分,损耗比IGBT少。顺便提一下,该IGBT是超高速型产品,但还是不及比较对象Hybrid MOSFET。

右侧的图表表示晶体管单体的Ic(Id)对应的导通电阻特性。在20A以上的范围,Hybrid MOSFET的导通电阻与IGBT几乎相同;在20A以下的范围,导通电阻低于IGBT,整体上有望实现更低的损耗。

绿线所表示的R6035GN是标准的超级结MOSFET(SJ MOSFET),低电流时的导通电阻较低,但在高电流时导通电阻略高于IGBT。这是标准的SJ MOSFET的特性。因这些特性差异,在大电流应用中一般选用IGBT,然而IGBT具有在低电流范围的损耗较大且效率较差的问题。

Hybrid MOS是SJ MOSFET的衍生产品,是具备SJ MOSFET的高速开关性能和低电流时的低导通电阻、以及与IGBT相匹敌的大电流时的低导通电阻性能的MOSFET。欲了解更详细信息,请参考“同时具备MOSFET和IGBT优势的Hybrid MOS”。

变更为Hybrid MOSFET+SiC SBD,效率更高

最后是二极管和开关晶体管这一组合的效率数据。

“原始”是指原设计中使用的IGBT和FRD的组合。“SJ MOS+FRD”是ROHM生产的三款标准的SJ MOSFET和ROHM生产的一款FRD的组合。“Hybrid MOS+FRD”均为ROHM生产的产品。使用绿色背景色的“Hybrid MOSFET+SiC SBD”也均为ROHM生产的产品。

曲线图是根据表格中的数据绘制而成的,从结果看出,Hybrid MOSFET+SiC SBD的组合可以获得最高的效率。

关于PFC,在电流连续模式(CCM)临界模式(BCM)中介绍过,降低损耗的方法略有不同。在改善效率时,需要考虑到这一点。

关键要点:

・在电流连续模式PFC中,将IGBT+FRD替换为Hybrid MOSFET+SiC SBD可提高效率。

・在该案例中,SiC SBD的高速trr特性、Hybrid MOSFET的低导通电阻+高速开关有助于提高效率。

活用Si(硅)功率器件特征的应用事例