【導讀】在消費電子市場高速發(fā)展的當下，IGBT（絕緣柵雙極晶體管）已成為現(xiàn)代家電設備中不可或缺的核心器件。憑借其優(yōu)異的開關特性、低導通損耗及出色的熱管理能力，IGBT技術正持續(xù)推動家電產(chǎn)品能效升級。安世半導體推出的650 V G3 IGBT平臺產(chǎn)品，通過性能優(yōu)化與可靠性提升，為家電設備的高效化、節(jié)能化發(fā)展提供了關鍵解決方案。
在消費電子市場高速發(fā)展的當下，IGBT（絕緣柵雙極晶體管）已成為現(xiàn)代家電設備中不可或缺的核心器件。憑借其優(yōu)異的開關特性、低導通損耗及出色的熱管理能力，IGBT技術正持續(xù)推動家電產(chǎn)品能效升級。安世半導體推出的650 V G3 IGBT平臺產(chǎn)品，通過性能優(yōu)化與可靠性提升，為家電設備的高效化、節(jié)能化發(fā)展提供了關鍵解決方案。
本文將聚焦家電設備的三大核心應用場景——電機拖動、PFC（功率因數(shù)校正）電路及感應加熱，深入解析安世半導體650 V G3 IGBT平臺的技術優(yōu)勢及其在家電領域的實際應用價值。
1. 電機拖動
1.1 電機拖動在家電中的應用介紹
電機拖動技術在家電應用中發(fā)揮著至關重要的作用，通過精確控制電機，實現(xiàn)高效、智能和節(jié)能的運行。它不僅負責驅(qū)動設備，還涉及能量的高效轉換，提升了整體性能。
在家電中，電動機將電能轉換為機械能，以實現(xiàn)各種功能。例如，洗衣機中的 Motor Drive 調(diào)節(jié)電機的轉速和扭矩，以適應不同的洗滌模式，從而提高洗凈效果和降低噪音。借助高效的能量轉換機制，洗衣機能夠更快速地完成洗滌任務，同時減少水和電的消耗。在空調(diào)中，變頻電機通過智能調(diào)節(jié)壓縮機的轉速，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，電機拖動系統(tǒng)能夠進一步提升能量利用效率。例如，在某些電器中，制動時產(chǎn)生的機械能可以被回收轉換為電能，供給其他設備使用。
通過這些應用，電機拖動不僅提升了家電的性能和使用體驗，還促進了節(jié)能減排的目標，使現(xiàn)代家居生活更加便捷、環(huán)保與智能。
圖 1：Motor in home appliance
在含有電機拖動的家電應用中，最普遍的拓撲形式是三相全橋拓撲。三相全橋拓撲是一種常用于三相交流電機（如異步電機、永磁同步電機等）驅(qū)動的電路配置。它由六個開關器件（通常是 MOSFET 或 IGBT）組成，分別對應三相電機的三個繞組。三相全橋拓撲的基本工作原理是通過控制每一相的開關狀態(tài)來實現(xiàn)對電機的轉動方向和轉速的控制。具體來說：
? 每相電機繞組都連接到兩個開關器件，形成一定的電路。
? 通過交替導通不同的開關，能夠產(chǎn)生在電機繞組之間的旋轉磁場，從而驅(qū)動電機旋轉。
? 控制系統(tǒng)通過 PWM 信號控制開關器件的開關狀態(tài)，從而調(diào)節(jié)電機的速度和轉矩。
圖 2：Motor drive application diagram
在工業(yè)及家電應用中，三相全橋的開關管的開關頻率通常較低（<20kHz）。在這種情況下，開關管的導通損耗通常占據(jù)總損耗的主導部分。由圖 3 可以看出，在給定條件下的電機拖動應用中，IGBT 器件的損耗占比中最高的是導通損耗，占比 71.6%。使用低導通損耗的 IGBT 可以最大幅度提升系統(tǒng)效率和降低結溫，這對節(jié)能減排以及產(chǎn)品可靠性方面皆有好處。
圖 3：應用于電機拖動中的 IGBT 器件損耗占比
1.2 安世半導體 650 V G3 IGBT 在電機拖動中的應用性能
安世半導體的 650 V G3 M 系列中速 IGBT 管具有較低的導通損耗以及優(yōu)化的關斷損耗，非常適合較低開關頻率（<20 kHz）的場合，例如電機拖動。同時 175 度的工作結溫以及較小的熱阻保證了工作時的結溫余量。嚴苛的可靠性標準例如 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，遠低于競品的 Vcesat 以及 Vf 將助力降低電機拖動應用中的損耗，從而保證更高的系統(tǒng)效率及更低的工作結溫，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 電機拖動系統(tǒng)測試中，NGW40T65M3DFP 中速管被用于與競品對比在電機拖動應用中的性能情況。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，在不同轉速和扭矩下具有更大面積的高效率區(qū)域。
圖 6：電機系統(tǒng)中三相 IGBT 的殼溫表現(xiàn)
圖 7：電機系統(tǒng)效率 MAP 圖
圖 8：PFC 電路在功率回路的位置
2. PFC
2.1 PFC 在家電中的應用介紹
PFC（功率因數(shù)校正）電路在現(xiàn)代家電中起著至關重要的作用，尤其是在電源設計方面。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)是表征電氣設備能效的一個重要指標，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)的負擔。
PFC 電路有不同的拓撲實現(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，這些拓撲結構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，開關頻率通常在 30 kHz 以上，推薦使用安世半導體 H 系列 650V IGBT。
2.2 安世半導體 650 V G3 IGBT 在 PFC 中的應用性能
為進一步評估 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 板上與競品進行了對比測試。圖 9 為交錯 PFC 的拓撲電路。表 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 IGBT。
圖 9：交錯 PFC 拓撲
較低的電壓過沖
當 IGBT 關斷時，由于功率回路雜感的存在，會在功率開關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)代電力電子應用中，尤其是在電機驅(qū)動、變頻器、開關電源和家電設備中，功率器件（如 IGBT 和 MOSFET）的快速開關能力是實現(xiàn)高效能和優(yōu)化性能的關鍵。然而，快速開關也帶來了電磁干擾（EMI）的問題，需要在設計和應用中加以重視。安世半導體 650 V G3 IGBT 具有優(yōu)異的 EMI 性能，為設計者直接替換開關管而無需重新進行 EMI 設計提供可能。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溫表現(xiàn)，利用 PLECS 軟件復現(xiàn)了測試電路及測試條件。并對功率器件建立熱模型。熱模型包括開關損耗數(shù)據(jù)，導通損耗數(shù)據(jù)及熱阻網(wǎng)絡數(shù)據(jù)。其中，開關損耗數(shù)據(jù)由實際測試中的波形計算而得。導通損耗和熱阻網(wǎng)絡數(shù)據(jù)源自規(guī)格書。圖 13 所示為得到開關損耗數(shù)據(jù)表格的過程。圖 14 所示為相關仿真波形。
圖 13：繪制開關損耗數(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 進行損耗及結溫對比，結果如表 5 所示?？梢钥吹礁偲?E 相比 NGW40T65H3DHP 在損耗方面略有優(yōu)勢。但在平均結溫方面，NGW40T65H3DHP 有著 9.8℃ 的優(yōu)勢，在最高結溫方面，有著 18.5℃的優(yōu)勢。這標志著更低的靜態(tài)熱阻以及更優(yōu)異的動態(tài)熱響應。
表 5：競品 E 與 NGW40T65H3DHP 在 PLECS PFC 仿真中的損耗及結溫對比@Tamb=25℃
3. 感應加熱
3.1 感應加熱在家電中的應用
感應加熱是一種基于電磁感應原理的加熱技術，它通過在導體中產(chǎn)生渦流來實現(xiàn)快速加熱。近年來，感應加熱技術逐漸在家電領域得到了廣泛應用，特別是在廚房電器中，例如電磁爐、電飯煲、部分烤箱等。
感應加熱的基本原理是利用交變磁場對導電材料（如金屬）產(chǎn)生的提高溫度的渦流效應。當高頻電流通過感應線圈時，會在其周圍產(chǎn)生交變磁場。如果將具有電導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。感應線圈通常在拓撲中以諧振電感的形式存在，如圖 15 所示為半橋型感應加熱的拓撲圖，感應線圈與兩個諧振電容共同組成了諧振電路，兩個開關管組成半橋驅(qū)動諧振電路。通過調(diào)整開關管的開關頻率可以調(diào)整系統(tǒng)的輸出功率。
圖 15：半橋感應加熱拓撲
3.2 安世半導體 650 V G3 IGBT 在感應加熱中的應用性能較低的關斷損耗
用 PLECS 搭建一個半橋感應加熱的仿真電路，并為其設置了一些仿真參數(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)二極管的開關波形?？梢杂^察到，在感應加熱應用中，IGBT 的電流在過零點時處于導通狀態(tài)，所以開通損耗為零，只存在導通損耗和關斷損耗。這為安世半導體 650 V G3 IGBT 的應用創(chuàng)造了優(yōu)勢，因為其關斷損耗經(jīng)過優(yōu)化后可以維持在較低的水平。如圖 17 所示，在175℃的結溫條件下，NGW50T65H3DFP 的關斷損耗遠低于競品 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 這顆高速管在導通損耗方面與競品略有差距，但由于其優(yōu)異的開關損耗，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
綜上所述，安世半導體的 650 V G3 IGBT 在家電應用中的優(yōu)越性能顯著提升了設備的效率和可靠性。在電機拖動、PFC（功率因數(shù)校正）電路和感應加熱等三大主要領域，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。其嚴格的可靠性標準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)有設計的優(yōu)秀替代方案及新設計的理想選擇。憑借這些特性，安世半導體的 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。
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