Силовая электроника №2'2008

Trench 4 — универсальная технология IGBT. Руководство по эксплуатации

Андрей Колпаков

Арендт Винтрих

Использование новых типов кристаллов IGBT в стандартных конструктивах дает возможность увеличить техническую эффективность и мощностные характеристики силовых преобразовательных устройств без изменения их конструкции. В модулях семейств MiniSKiiP, SEMiX, SEMITRANS и SKiM, производимых компанией SEMIKRON начиная с 2007 года, применяются чипы нового поколения: Trench 4 IGBT от Infineon и антипараллельные диоды CAL 4 собственной разработки. Улучшенные технические характеристики силовых ключей серии Т4 позволяют им с успехом заменить практически все используемые в настоящее время типы низковольтных IGBT. Основные особенности технологии Trench Field Stop были подробно рассмотрены в [1]. Предлагаемая статья посвящена вопросам применения компонентов четвертого поколения.

Введение

От каждого нового поколения силовых ключей пользователи ждут очередного снижения потерь и повышения плотности тока. Производители чипов стараются не только удовлетворить эти запросы, но и сократить размер кристаллов, снижая таким образом расход кремния и себестоимость продукции. На рис. 1 показано, как исторически шло уменьшение площади чипов IGBT, сопровождающееся соответствующим улучшением характеристик проводимости. С появлением четвертого поколения IGBT, выполненных по технологии Trench Field Stop, плотность тока повысилась с 85 А/см2 (SPT IGBT) и 115 А/см2 (T3 IGBT) до рекордного на данный момент показателя 130 А/см2.

Уменьшение размера кристаллов IGBT и напряжения насыщения

Размер чипов IGBT Т4 рассчитан исходя из условия достижения оптимального соотношения между стоимостью, электрическими и тепловыми характеристиками. Следует отметить, что неизбежная плата за уменьшение активной площади полупроводников — повышенное тепловое сопротивление и худшая стойкость к режиму короткого замыкания. Для преодоления проблем, связанных с повышением плотности мощности, необходимо снижать уровень потерь.

При переходе от второго к третьему поколению IGBT усилия производителей были направлены на уменьшение потерь проводимости (напряжения насыщения VCEsat). Основной задачей, поставленной при разработке Trench 4 IGBT, стало улучшение динамических характеристик и обеспечение плавного характера переключения.

Кроме того, для повышения перегрузочной способности диапазон рабочих температур должен быть расширен до величины не менее Tjmax = 175 °C, такое требование выдвигается в первую очередь производителями транспортных приводов. Если учесть, что стандартным значением «теплового запаса» для пиковых перегрузок считается 25 °C, то для кристаллов 4-го поколения номинальной долговременной рабочей температурой является 150 °C. В пересчете на выходную мощность 3-фазного инвертора это означает прибавку не менее 20% по сравнению с модулями, у которых величина Tjmax ограничена на уровне 125 °C.

Кристаллы IGBT4 созданы на основе Trench-технологии 3-его поколения, которая используется при производстве модулей SEMIKRON 066-й, 126-й и 176-й серий с рабочим напряжением 600, 1200 и 1700 В соответственно. Эти компоненты отличаются очень хорошими характеристиками проводимости: напряжение насыщения VCEsat модулей 126-й серии при номинальном токе и температуре 25 °С не превышает 1,7 В, для компонентов 066-й серии VCEsat = 1,45 В. Однако уровень динамических потерь у них достаточно высок, и в режиме «жесткой коммутации» применение ключей данного типа на частотах выше 5–7 кГц нецелесообразно.

Существенное улучшение характеристик было достигнуто благодаря оптимизации основных элементов вертикальной структуры чипа: n-базы, n-Field Stop слоя, предназначенного для повышения напряжения пробоя, и эмиттера. В результате модернизации Trench-технологии удалось снизить суммарное значение потерь в широком диапазоне частот и обеспечить плавный характер переключения. Не менее важным достижением является увеличение допустимой рабочей температуры Tjmax кристаллов со 150 до 175 °C. Благодаря этому применение нового поколения модулей IGBT позволяет увеличить запас по перегрузке в динамических режимах и повысить надежность работы преобразователей.

В таблице 1 приведены основные характеристики IGBT различных типов, определяющие мощность потерь. Для корректности сопоставления значения параметров даны при температуре Tj = 125 °C, а для чипов четвертого поколения добавлены соответствующие величины для Tj = 150 °C.

Таблица 1. Сравнительные характеристики IGBT различных поколений (рабочее напряжение 1200 В, номинальный ток кристалла — 100 А)
Сравнительные характеристики IGBT различных поколений

Как было уже отмечено, IGBT новой генерации отличаются пониженным уровнем динамических потерь. Значение параметра Eoff у силовых ключей серии T4 даже несколько меньше, чем у наиболее универсальных на данный момент модулей SPT, а по сравнению с Тrench IGBT третьего поколения этот показатель улучшен на 30%. Причем это сравнение справедливо как для стандартных условий измерения (125 °С), так и для новых (155 °С), оговоренных в спецификации.

зависимости от температуры кристалла энергия потерь Esw может быть рассчитана в соответствии с выражением, использующим линейный температурный коэффициент ТС:

где ТСI = 0,0034 для IGBT, ТСD = 0,006 для антипараллельного диода.

На графиках (рис. 2а) показаны измеренные и расчетные значения Esw для различных температур Tj.

Зависимость энергии потерь модуля SKM 200GB12T4 от температуры кристалла и сопротивления затвора
Зависимость времени t и скорости переключения di/dt от резистора затвора

Процессы, происходящие при выключении Trench IGBT и модулей других современных типов (SPT или NPT), заметно отличаются. Главное различие состоит в том, что время tƒ и потери выключения Eoff для компонентов, производимых по Trench-технологии, практически не зависят от величины сопротивления затвора RG.

Очень важным показателем IGBT, характеризующим надежность работы ключа в динамических режимах, является нормированное время короткого замыкания tsc — время, в течение которого модуль способен без повреждения проводить ток самоограничения, определяемый крутизной IGBT. До появления тонкопленочных технологий этот показатель обычно равнялся 10 мкс при комнатной температуре. Для современных силовых ключей значение tsc пришлось сократить до 5–6 мкс из-за невозможности быстро рассеивать в тонком кристалле огромное количество энергии, выделяемой в режиме КЗ.

Существует несколько разновидностей состояния короткого замыкания, два из которых показаны на рис. 4:

  • полумягкий» режим (4а) — IGBT включается на КЗ нагрузку (отрезок кабеля с нормированной распределенной индуктивностью) при Tj = 150 °C, VCC = 900 В, VCE (max) = = 1160 В, ICM = 1715 A, RG (off) = 15 Ом;
  • «жесткий» режим (4б) — оба IGBT-полумоста открываются одновременно при Tj = 150 °C, VCC = 900 В, VCE (max) = 1136 В, ICM = 1524 A, RG (off) = 15 Ом; где Tj — температура кристалла; VCC — напряжение DC-шины; VCE (max) — максимальное напряжение на DC терминалах модуля; ICM = 1524 A — ток отключения; RG (off) = 15 Ом — сопротивление затвора при выключении.
«Полумягкий» (а) и жесткий (б) режим короткого замыкания

При напряжении питания VCC = 600 В безопасное отключение IGBT может происходить при номинальном значении резистора затвора. При повышении напряжения DC-шины необходимо обеспечить так называемый режим «плавного» выключения (STO — Soft Turn-Off, или SSD — Soft Shut-Down), то есть снизить скорость выключения. Это достигается с помощью увеличения номинала резистора затвора RG(off) или за счет использования специальной траектории изменения VGE, например введения промежуточной ступени управления VG(off) = 0.

Точное значение сопротивления затвора для режима SSD определяется экспериментально, оно должно обеспечивать отсутствие опасных выбросов напряжения при отключении режима КЗ. Амплитуда этих перенапряжений зависит от скорости выключения и величины паразитной индуктивности цепи LS. Как показано на рис. 4, уровень выбросов зависит также от типа КЗ. К выбору величины RG(off) надо относиться очень аккуратно, так как его неоправданное увеличение может привести к опасному росту потерь выключения.

Электромагнитная совместимость

Состав спектра электромагнитных помех инвертора завит в основном от градиентов тока IC (t) и напряжения VCE (t), образующихся при коммутации силовых ключей. Для современных полупроводниковых модулей средней мощности достижимы скорости изменения напряжения до 10 кВ/мкс и тока — до 10 кА/мкс (при комнатной температуре). С ростом температуры характер коммутации становится плавным, и указанные значения градиентов снижаются на 50–60%.

Скорость спада тока при выключении di/dt практически линейно зависит от IC, а при возрастании напряжения DC-шины она увеличивается незначительно. Довольно неожи- данным является тот факт, что di/dt для Trench 4 практически не спадает с ростом сопротивления затвора, как показано на рис. 3б. В действительности в определенном диапазоне увеличение RG даже несколько повышает скорость выключения тока, и только при больших величинах сопротивления di/dt снова начинает падать. Этот эффект вызван накоплением носителей заряда в базе транзистора в момент выключения: при малых значениях RG электроны задерживаются в базовой области IGBT, большой накопленный заряд является причиной достаточно плавного наклона характеристики выключения. При увеличении резистора затвора, MOS-канал IGBT-структуры оказывается полностью закрытым в момент, когда ток начинает спадать. При этом электронов, которые могли бы создать дополнительный ток, уже нет, а оставшееся небольшое количество дырок быстро рассасывается, что приводит к увеличению скорости выключения. Данный процесс подробно описан в [3].

Коммутационные перенапряжения

Резкий спад тока коллектора, происходящий при выключении силового модуля, вызывает появление импульсных перенапряжений dV, наводимых на паразитных индуктивностях LS коммутируемых цепей: dV = LS × di/dt. Коммутационные пики добавляются к напряжению DC-шины, и образующийся в результате суммарный сигнал VCE = VDC + dV может превысить напряжения пробоя IGBT. Необходимо также учесть, что предельное значение VCEmax является характеристикой кристалла, а из-за наличия внутренней индуктивности выводов LCE напряжение на чипах в импульсных режимах всегда выше, чем на DC-терминалах модуля на величину LCE × di/dt. В зависимости от конструкции модулей и скорости выключения эта разница может достигать 100 В и более.

Измерения, проведенные на дополнительных сигнальных выводах коллектора и эмиттера (Ex, Cx), расположенных непосредственно рядом с чипом IGBT, показали, что наибольшее значение перенапряжения VCEmax наблюдается на «холодном» кристалле (рис. 5а). При увеличении в некоторых пределах резистора затвора RG возрастает как скорость выключения di/dt, так и амплитуда выбросов, как показано на рис. 5б. Ограничить уровень перенапряжения возможно только при достаточно больших значениях RG(off) (>20 Ом для модуля с номинальным током 300 А), что естественно ведет к заметному росту потерь выключения. При работе с большими уровнями напряжения DC-шины (VDC > 800 B) между DC-терминалами модуля должен быть установлен снабберный конденсатор (рис. 5б). Кроме того, для предотвращения пробоя силового ключа в режиме КЗ в этом случае рекомендуется использование режима «плавного» отключения.

Зависимость амплитуды переходных перенапряжений от резистора затвора

Внутренний резистор затвора RGint

Чтобы обеспечить синхронное управление кристаллами, соединенными в параллель внутри модуля, каждый из них должен иметь индивидуальный резистор затвора. Это необходимо для компенсации разброса напряжения открывания VGE (th), на что следует обращать особое внимание при проектировании: распространенной ошибкой является непосредственное соединение затворов параллельных модулей. Разница в значении ΔVGE (th) (рис. 6б) приводит к тому, что чип с минимальным VGE (th) откроется первым и примет на себя всю токовую нагрузку. Этот эффект усугубляется тем, что напряжение отпирания затвора имеет отрицательный температурный коэффициент. IGBT с большим пороговым напряжением откроется с задержкой Δt11, определяемой временем включения модуля с меньшим VGE (th). Напомним, что длина горизонтального участка характеристики затвора зависит от значения емкости Миллера «коллектор – затвор» Ccg. Спадающее напряжение на коллекторе дифференцируется этой емкостью и создает ток, компенсирующий ток включения.

Задержка при включении параллельных IGBT

Существует простое и хорошо известное решение: все параллельно соединенные ключи должны иметь индивидуальные и одинаковые резисторы затвора. В этом случае напряжение на каждом затворе будет нарастать независимо и разница времени задержки включения не превысит Δt1, как показано на рис. 6а.

В зависимости от номинального тока кристалла ICnom SEMIKRON использует следующие номиналы затворных резисторов:

  • RGint = 10 Ом (ICnom = 75 A);
  • RGint = 7,5 Ом (ICnom = 100 A);
  • RGint = 5 Ом (ICnom = 75 A);
  • RGint = 2×5 Ом (ICnom = 300 A; 2 чипа в параллель с ICnom = 150 A);
  • RGint = 4×7,5 Ом (ICnom = 400 A; 4 чипа в параллель с ICnom = 100 A).

Отметим, что при нормировании динамических характеристик IGBT внутренний резистор затвора не включается в справочное значение RG, под которым подразумевается только внешнее сопротивление. Тем не менее, величину RGint необходимо учитывать при расчетах нагрузочных параметров драйвера: предельного тока управления IGM или минимального резистора затвора RGmin.

Антипараллельные диоды

Для того чтобы модернизированные кристаллы IGBT наиболее полно проявили свои преимущества, их необходимо использовать с антипараллельными диодами, согласованными с ними по плотности мощности, статическим и динамическим характеристикам. Для решения этой задачи фирмой SEMIKRON было создано четвертое поколение быстрых диодов на основе собственной технологии CAL (Controlled Axial Lifetime), главными особенностями которой являются плавный характер переключения во всем диапазоне рабочих токов, высокий иммунитет к dI/dt и малый ток обратного восстановления.

При разработке CAL-диодов четвертого поколения основное внимание уделялось обеспечению плавной кривой обратного восстановления dIrr/dt и согласованию характеристик восстановления с динамическими свойствами Trench 4 IGBT. Усовершенствование структуры кристаллов позволило на 30% повысить допустимое значение плотности тока, при этом потери переключения остались на уровне, достигнутом в диодах предыдущей генерации CAL3. Использование нового способа пассивации DLC (Diamond Like Carbon) дало возможность увеличить значение предельной рабочей температуры чипов до 175 °С и добиться наилучшего согласования параметров диодов CAL4 с характеристиками IGBT Trench 4.

Взаимозаменяемость

Для большинства применений замена модулей IGBT предыдущих серий на компоненты четвертого поколения дает очевидные преимущества: снижение уровня потерь, уменьшение коммутационных перенапряжений, улучшение электромагнитной совместимости. Существенно меньше оказывается потребляемая от драйвера мощность, так как величина заряда затвора QG для силовых ключей Trench 4 снижена более чем на 30%.

Однако для получения максимального эффекта от применения модулей новой генерации требуется некоторая адаптация схемы управления. В первую очередь рекомендуется изменить соответствующим образом резистор затвора RG. Если, например, SKM200GB12T4 установить вместо SKM200GB128D (SPT-IGBT), то величина RG должна быть уменьшена с 7 до 1 Ом. Использование номинала, рекомендованного для SPT, приведет к увеличению потерь включения с Eon (1 Ом) = 21 мДж до Eon (7 Ом) = 44 мДж (рис. 2).

Информация, приведенная в таблицах 2 и 3, определяет в первом приближении соответствие компонентов серий 126, 128 и Т4 в схеме 3-фазного инвертора с воздушным охлаждением при частоте переключений ƒsw = 4–8 кГц. Расчеты основаны на условии, что температура кристаллов Tj для всех видов ключей не превышает 125 °C, в то время как чипы IGBT Trench 4 рассчитаны на более высокую рабочую температуру (Tjnom = 155 °C, Tjmax = 175 °C). Это означает, что модули новой генерации обеспечивают в инверторных применениях соответствующий запас, как по номинальному току, так и по току перегрузки.

Таблица 2. Соответствие модулей семейства SEMITRANS серий 126, 128, Т4
Соответствие модулей семейства SEMITRANS серий 126, 128, Т4
Таблица 3. Соответствие модулей семейства SEMiX серий 126, 128, Т4
Соответствие модулей семейства SEMiX серий 126, 128, Т4

Сказанное подтверждается графиками, приведенными на рис. 7, где показана зависимость максимального выходного тока 3-фазного инвертора от частоты коммутации для трех типов IGBT: Trench 3 (SKM 400GB126D), SPT (SKM 400GB128D) и Trench 4 (SKM 300GB12T4).

Зависимость максимального выходного тока 3&фазного инвертора от частоты коммутации

Расчеты выполнены для следующих условий эксплуатации:

  • напряжение DC-шины Vcc = 650 В;
  • выходное напряжение Vout = 400 В;
  • частота выходного сигнала ƒout = 50 Гц;
  • температура окружающей среды Та = 40 °C;
  • тепловое сопротивление радиатора Rth (s-a) = 0,031 °C/Вт.

Эпюра для модулей нового поколения (SKM 300GB12T4) при Tj = 125 °C во всем диапазоне частот практически совпадает с кривой предельного тока для силовых ключей, выполненных по технологии SPT (SKM 400GB128D). Однако поскольку для компонентов серии Т4 все режимы гарантируются при Tjmax = 150 °C, то соответственно максимально допустимый ток у них оказывается на 10–15% выше, что подтверждается соответствующим графиком на рис. 7.

Следует отметить, что замены, показанные в таблицах 2 и 3, справедливы не для всех применений и режимов эксплуатации. Предельный ток преобразователя зависит от ряда параметров, важнейшими из которых являются статические и динамические потери, а также их соотношение. Все эти показатели достаточно корректно можно определить только для конкретных условий применения. Однозначный ответ на вопрос, какой силовой ключ оптимален для заданных условий работы, может дать только тщательный тепловой расчет. Наиболее удобным и простым средством проведения анализа температурных режимов является программа теплового расчета Semisel, интерактивная версия которой доступна на сайте www.semikron.com.

Заключение

Над модернизацией и совершенствованием модулей IGBT в типовых конструктивах работают практически все фирмы-изготовители. В производственной программе SEMIKRON семейство стандартных модулей IGBT, включающее 5 типов корпусов, носит название SEMITRANS. К новым промышленным стандартам можно отнести и последнюю генерацию силовых ключей SEMiX, завоевавших большую популярность благодаря своим очевидным конструктивным достоинствам. Применение новейших поколений чипов IGBT в стандартных конструктивах дает возможность повышать эффективность и выходную мощность преобразователей без изменения их конструкции, поэтому их появление так приветствуется рынком.

Усовершенствованная технология Trench четвертого поколения позволяет расширить область рабочих частот, увеличить плотность мощности, обеспечить больший запас по перегрузкам. Для получения максимальной отдачи от использования четвертого поколения чипов IGBT компания SEMIKRON разработала новую серию антипараллельных диодов CAL 4, наилучшим образом согласованных с Trench 4 по температурным и динамическим параметрам. Компания постоянно работает над улучшением частотных и тепловых характеристик конструктивов модулей, снижая распределенное активное сопротивление и паразитную индуктивность терминалов.

Литература

  1. Колпаков А. T4 — универсальная технология IGBT // Силовая электроника. 2007. № 3.
  2. Annacker R., Herzer R. IGBT4 Technology Improves Application Performance. SEMIKRON International. 2007.
  3. Hьsken H., Frank W. Balancing losses and noise considerations for choosing the gate resistor. PCIM 2006. Nuremberg.
  4. Freyberg M., Scheuermann U. Measuring Thermal Resistance Of Power Modules. PCIM 05/2003, p. 34–38.
*  *  *

Другие статьи по этой теме


Скачать статью в формате PDF

Скачать статью в формате PDF 2008_2_26.pdf  

 
ПОДПИСКА НА НОВОСТИ

Оцените, пожалуйста, удобство и практичность (usability) сайта:
Хорошо
Нормально
Плохо