利用安森美半导体IGBT实现高能效的高性能开关应用-电子技术方案|电路图讲解

今天，不论是用在工业领域还是民用产品的开关应用，绝缘栅双极晶体管（IGBT）都可以提供有效的解决方案，以实现最终产品的高能效和高性能。在节能至上的市场上，电子设计人员首选可以实现高能效的器件，而且要针对不同应用选择合适的IGBT。推动高能效创新的安森美半导体提供丰富的分立式IGBT方案，广泛用于电磁炉、不间断电源(UPS )、太阳能逆变器和逆变电焊机等领域。

IGBT技术概述
IGBT有强耐能量冲击能力和强耐短路电流能力 (5至10微秒)。现有IGBT包括沟道非穿通型 (NPT)、沟道场截止型 (FS) 第一代和沟道场截止型第二代IGBT等类型。随着制造工艺的进步，开始采用50微米晶圆及金属背板，超薄晶圆及其背面处理工艺减少了IGBT的导通和开关损耗。

对比沟道非穿通型和沟道场截止型IGBT可以发现，前者的电场强度在硅漂移区 (n-FZ)线性递减到0，硅漂移区厚度与耐压成线性正比，因此具有高导通压降和高关断损耗；后者用N缓冲层减少了硅漂移区的厚度，实现了超薄晶圆，从而实现了低导通压降和低关断损耗 (图1)。

 
图1：沟道非穿通型和沟道场截止型IGBT对比

从技术趋势看，6至8英寸晶圆的厚度在不断缩减，从最初的250 μm到目前生产的100 μm和75 μm，还有50 μm和40 μm厚度正在研发当中。可以预期，今后IGBT的性能仍有望提高。

安森美半导体IGBT产品及应用市场
安森美半导体提供完善的IGBT产品系列，可以根据频率、应用和电压进行分类 (表1)，不同产品有不同的特性和应用范围。
 

 
表1：安森美半导体IGBT产品系列

安森美半导体的29款场截止第一代IGBT中600伏 IGBT 性能接近或超过市场领先产品；新发布的8款1200伏/1350伏用于电磁感应加热的场截止型第二代IGBT，其性能领先于市场同类产品；还有新发布的3款1200伏场截止型第二代通用IGBT，性能与市场同类产品相媲美。

在工业应用方面，分立式IGBT的市场应用主要包括电机驱动、逆变式电焊机、变频驱动、功率因数校正，安森美半导体提供的主要产品有1200 V/ 15 A-40 A及600 V/ 30 A-50 A；用于不间断电源、太阳能逆变器、高效功率转换器应用的主要产品是600 V/30 A-50 A及1200 V/15 A-40 A；而用于家用电器，如电火锅和电饭锅、厨用电炉、空调机功率因数校正的主要产品有1200V/15A-40A、600V/30A-40A和600V/30A-50A。

安森美半导体同时提供相应的技术支持，如2千瓦电机驱动测试系统、2千瓦电磁炉测试系统、3千瓦功率因数校正测试板、10千瓦中点钳位转换器，以及用于测试IGBT模块的100千瓦太阳能逆变器，350安培逆变式电焊机正在开发中。

安森美半导体IGBT产品应用示例

1)    电磁感应加热
安森美半导体的IGBT采用沟道场截止工艺，以合理的价格提供可靠性和优良的开关性能。其600伏30安培和40安培场截止型第一代IGBT导通电压低、开关损耗小，专门为半桥谐振式电磁感应加热设备设计，产品包括NGTB40N60IHLWG和NGTB30N60IHLWG；其1200伏15安培到40安培场截止型第一代IGBT导通电压低、开关损耗小，专门为单端谐振式电磁感应加热设备设计，产品包括NGTB15N120IHLWG、NGTB20N120IHLWG、NGTB25N120IHLWG、NGTB30N120IHLWG、NGTB40N120IHLWG、NGTB20N120IHSWG和NGTB30N120IHSWG。两者均可降低并联续流二极管的正向导通电压。而近期推出的用于电磁感应加热的15安培到40安培的1200伏和1350伏第二代场截止型IGBT系列可提供更低的开关损耗，工作可靠，适用于各类谐振和软开关应用，典型产品包括NGTB30N120IHR、NGTB30N135IHR、NGTB40N120IHR和NGTB40N135IHR等。这些器件的优点是提升系统开关效率\低功率损耗和节省线路板空间。安森美半导体为此开发了用于IGBT测试的2千瓦单端谐振电磁炉测试平台。
 

 
图2：600伏和1200伏电磁感应加热电路

•2) 电机驱动
安森美半导体的通用型600伏非穿通型IGBT包括15到50安培的一系列型号(包括NGTB15N60EG、NGTB30N60FWG和NGTB50N60FWB等)，以及通用型1200伏IGBT包括15到40安培的一系列型号 (采用第一代场截止工艺，包括NGTB15N120LWG、NGTB20N120LWG、NGTB25N120LWG、NGTB30N120WG和NGTB40N120LWG)，可降低并联续流二极管的正向导通电压，具有导通电压低、开关损耗小、提升系统效率、节省线路板空间等优点，广泛用于包括电机驱动、各种逆变器、变频驱动、泵、空气交换机等工业领域的硬开关电路。安森美半导体开发了用于IGBT测试三相全桥2千瓦电机驱动系统测试平台。

 

图3：电机驱动系统测试平台

•3) 功率因数校正
安森美半导体的600伏专用于功率因数校正和升压的600伏IGBT采用第一代场截止工艺，可以低廉价格实现可靠工作、低导通电压和低开关损耗，提升系统开关效率，节省线路板空间，包括NGTG50N60FWG和NGTG30N60FWG等。基于这类应用的特殊性，这类IGBT不含并联续流二极管，适用于太阳能逆变器升压转换器、空调机空滤引述校正和不间断电源功率因数校正等低频硬开关或是高频软开关电路。安森美半导体开发的单相3千瓦功率因数校正系统可用于IGBT的测试。
 

 图4：功率因数校正测试曲线

•4) 逆变式电焊机
安森美半导体还提供一系列可用于逆变式电焊机的600伏和1200伏从15到50安培IGBT(包括NGTB50N120FL2和NGTB50N60FLWG等)，采用场截止第一代工艺和场截止第二代工艺，这些IGBT有较低的导通压降和开关损耗，可降低并联续流二极管正向导通压，提升系统开关效率，低功率损耗，节省线路板空间，适用于全桥式逆变电焊机、半桥式逆变电焊机、电焊机功率因数校正、高频电焊机、激光切割机等高速开关应用。

 

图5：逆变式电焊机测试设备

•5) 不间断电源和太阳能逆变器
安森美半导体用于不间断电源和太阳能逆变器 (包括中点钳位式逆变器) 的1200伏和600伏IGBT(包括NGTB50N120FL2和NGTB50N60FLWG等)采用场截止第一代和场截止第二代工艺，价格低廉，工作可靠，导通电压低，开关损耗小，并联的高速续流二极管正向导通电压低。这些器件适用于电池充电器、不间断电源、功率因数校正、全桥和半桥式太阳能逆变器/变换器、中点钳位式逆变器、升压变换器半/全桥拓扑结构。安森美半导体提供不同功率的逆变器用来测试分立式IGBT和IGBT模块。

 
图6：中点钳位式逆变器

安森美半导体的客户已成功使用其场截止型第一代IGBTNGTB50N60FLWG开发出了各种应用，如功率10 千伏安、功率因数0.9的不间断电源，以及采用半桥谐振拓扑结构的1450瓦厨用电炉。客户认为，安森美半导体场截止型第一代IGBT的性能达到了市场上最好的性能；其IGBT在电磁炉上的温升低于其它2款IGBT。

未来，安森美半导体将推出超过20款第四代 (场截止型第二代) IGBT以及专用于逆变式电焊机IGBT，并继续开发IGBT模块。无论客户的产品需求如何，安森美半导体总有一款高性能、高能效的IGBT方案能够满足要求，帮助设计工程师设计出高能效及高性能的产品。

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近日，中桥调研咨询（以下简称“中桥”）的总经理兼首席分析师王丛（Kim Wang）女士在IBM在网络研讨会上，根据中桥2013年在中国的最新相关调查数据，为参会者分享了《中端存储发展趋势：如何评估存储，优化长期性价比》。

中端存储难题

存储是数据的“血库”，存储性能的优劣对于提升IT对业务的支撑能力和通过IT提高业务效率影响甚大。数据中心不断地进行演进，从物理到虚拟再到云。在这个过程中，中端市场环境发生着较大的改变。图1显示出在未来12-24个月内虚拟化在中端市场的发展速度领先于企业级市场。

图1虚拟化市场发展趋势

此外在私有云方面，中国市场上18.4%的企业级用户首先上了私有云。但是在发展趋势上，未来12个月内，21%的成熟期的中端用户会部署私有云；42.3%的发展期的中端用户在未来12-24个月内会逐渐应用私有云。这表明，在中国市场，在私有云上投入上，首先还是在中端用户表现出更大的趋势。

图2 私有云发展趋势

虚拟化和云计算刺激着中端用户对于存储的需求也在不断地变化。传统的中端存储在数据中心演进过程中无法再满足用户的需求，具体表现在：

1. 性能：通常来讲，虚拟化应用性能最大瓶颈之一就是存储。原因是虚拟机产生大量的随机读取操作，对于存储的读取速度要求越来越高，对并行处理能力和混合负载的性能也越来越高。

2. 容量：在数据中心演进中，不仅要考虑容量的可扩展性，更多的是容量的资源利用率，以保证投资回报率。

3. 管理：中端用户在管理资源、管理经验以及IT的预算上无法比拟大型企业。提高集中管理的效率，而且要针对物理和虚拟环境，甚至是某一个虚拟机实现实时的对资源和运行情况的监控，出现问题时能够快速排出故障，是中端企业所需要的智能管理功能。

4. 配置：在虚拟化环境下，上一套应用配置一次的做法已经过时。面对着几百甚至上千的虚拟机，如何提升配置效率也成为企业面临的难题。

对于中端用户来讲，他们在存储上遇到的最大难题在于资源和需求之间的失衡。如何用有限的资源，包括在有限的预算、设备或者是IT管理人员和管理经验，来实现快速动态的IT响应和IT支撑能力的需求成为困扰中端用户的难题。

评估新一代中端存储的因素

那么，到底什么样的中端存储才能满足现在中端用户的需求呢？中桥分析师对此提出用户可以从以下几方面来评估：

1. 利用率：传统的中端存储配置方式造成大量的资源闲置，这一点对于资源有限的中端用户来讲是无法满足他们的需求。

2. 性能和效率：谈到性能，在虚拟化的过程中要能够支撑更多的应用，而且满足应用不同工作周期的负载需求。在效率上，不但要求应用配置效率高，配置一个应用的时间控制在小时之内。

3. 易管理：中端用户整个存储管理资源有限，而且整个存储部署也是分阶段化进行，不是十分系统化，如何使异构的环境实现统一集中管理就显得十分重要。

4. 数据保护：对于中端用户来说，以前谈到数据保护，最多的考虑是备份和恢复。但是在企业进入到虚拟化阶段，中端用户已经意识到虚拟化对于数据保护和业务的连续性的进一步的提升。因此，在选择存储的过程中，用户就需要考虑存储能不能对未来的容灾提供更好的支撑，并且能不能经济地实现数据容灾。很多企业存在异构设备，异构设备在容灾上不能相互备份，这是让企业最头疼的部分。如何实现异构资源再利用的基础上，实现容灾，就是中端用户在选择存储上的需要考虑的因素之一。

5. 灵活开放：应用多元化到虚拟化再到云，这是一个循序渐进的过程。在这个过程中，用户的IT环境长期处在一种虚拟和物理共存的混合环境中。这就要求业务上具备灵活性，在逐步向云迁移的过程中，能够很好的支撑开源。技术上要灵活，能够平衡对容量和性能的要求。

面对上述中端用户对存储提出的新需求，也有不少针对这个市场的存储产品，其中不乏国际知名企业推出的产品。下面来看下IBM Storwzie V5000是如何解决这些问题。

IBM Storwzie V5000

IBM通过将企业级功能和图形管理界面“下嫁”到中端存储的方式，重新定义了中端存储，让中端市场企业用户可以在无需额外付费的前提下，充分享受企业级功能和可管理性。Storwize产品系列上集成的企业级功能包括：

• SVC：可以将第三方存储整合形成虚拟存储池，提高资源利用率

• XIV：图形化的管理界面，使得管理运维更简单，降低了管理难度

• FlashCopy：对关键数据进行保护，保证业务连续性

• 自动分层：集成高端存储中配备的存储功能，提高存储资源利用率

Storwize V5000对于上述中端用户遇到的难题是如何解决：

• 利用率：通过内虚拟和外虚拟可以提高异构存储资源利用率。在这个基础之上，V5000还提供精简配置，实时压缩和自动分层。V5000不但能够保证自身的高利用率，还能通过这些技术提高现有设备的利用率。

• 性能和效率：V5000具有SSD和闪存技术。它利用SSD解决热点数据问题，在此基础之上，利用全闪存技术，还可以满足诸如银行、金融等行业对于高并行处理能力，低延迟的要求。另外，高度虚拟化环境要求高的混合负载性能，而V5000使用Turbo技术可以快速地实现性能加速。

• 易管理：V5000通过外虚拟功能和XIV，实现对异构存储的集中统一管理，提高异构存储的管理效率，诊断排除故障，降低企业在存储管理上的风险。

• 业务连续性：V5000提供的远程镜像、远程恢复和快速复制等功能，在业务发展过程中，保证业务的连续性。

• 灵活开放：V5000对于主流应用如Oracle、SAP、Microsoft等做了评测，保证对这些应用的支撑能力，提高较强的互操作性。

• 按需扩展：V5000的集群系统为封闭系统提供向上扩展和向外扩展的能力以求高效。

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