Силовая электроника №3'2009

Trench 4 — универсальная технология IGBT. Стратегия перехода

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. Основной задачей, поставленной при разработке 4_го поколения Trench IGBT, стало комплексное улучшение параметров проводимости, динамических характеристик IGBT и обеспечение более плавного характера переключения. Статья посвящена особенностям применения данных элементов, особое внимание уделено вопросам, связанным с заменой силовых ключей предыдущих серий IGBT на компоненты нового поколения.

Основные особенности IGBT Trench 4

Улучшение характеристик кристаллов IGBT Trench 4 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 более плавный характер переключения. Не менее важным достижением является увеличение допустимой рабочей температуры Tjmax кристаллов с 150 до 175 °C. Благодаря этому применение нового поколения модулей IGBT позволяет увеличить запас по перегрузке в динамических режимах и повысить надежность работы преобразователей. После многочисленных тестов было принято решение выпускать компоненты 4-го поколения в двух версиях (Т4 и Е4), отличающихся скоростью переключения и динамическими свойствами при параллельной работе.

В таблице 1 приведены основные параметры IGBT различных типов при температуре Tj = 125 °C. Для корректности сопоставления для чипов 4-го поколения добавлены соответствующие величины при Tj = 150 °C.

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

Параметр, единица измерения SPT IGBT
(серия 128)
Trench IGBT3
(серия 126)
Trench IGBT4
(серия 12T4) /150 °С
Trench IGBT4
(серия 12Е4) /150 °С
Напряжение насыщения VCEsat, В
(@ ICnom, 25 °С)
1,9 1,7 1,8 1,8
Напряжение насыщения VCEsat, В
(@ICnom, 125 °С)
2,1 2,0 2,1/2,2 2,1/2,2
Энергия переключения Еsw, мДж
(@ 125 °С)
22 27 19/21 22/24
Тепловое сопротивление Rth(j-c), °С/Вт 0,17 0,22 0,27 0,27
Заряд затвора QG, мкКл
(@ VGE = –8/+15 B)
1,2 0,9 0,57 0,57
Температура кристалла Tjmax, °С 150 150 175 175

Для наилучшей адаптации нового поколения силовых ключей к условиям применения было разработано две версии чипов Trench 4, отличающихся динамикой и получивших название Т4 и Е4. Минимальный уровень потерь переключения при наивысшей скорости коммутации di/dt обеспечивает вариант Т4. Однако большее значение di/dt означает и повышенный уровень перенапряжений на DC-шине в соответствии с выражением dV = LS × di/dt (LS — паразитная индуктивность цепи коммутации). Поэтому вариант Т4 было решено использовать для всех модулей с рабочим напряжением 600 В, а также для ключей 12 и 17 класса, номинальный ток коллектора которых не превышает 150 А. Что касается более мощных компонентов, то они будут доступны или в обеих версиях, или только в исполнении Е4, обеспечивающем меньший уровень перенапряжений и лучшее распределение токов при параллельном соединении (табл. 2).

Таблица 2. Семейства IGBT и версии кристаллов T4

Семейство модулей
SEMIKRON
Диапазон токов, А Версия Trench 4
SEMITOP 15–100 T4
MiniSKiiP 20–150 T4
SEMITRANS 2 50–150 T4
SEMITRANS 3, 4 150–600 T4/E4
SEMiX 150–600 E4
SKiM 63/93 600–900 E4
SKiiP 200–2000 E4

Как уже было отмечено, IGBT новой генерации отличаются пониженным уровнем динамических потерь. Значение параметра Eoff даже у «медленных» Е4 несколько меньше, чем у наиболее универсальных на данный день 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.

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

Esw(Tj) = Esw(150 °C) × (1 – TCid × (150 °C – Tj)),

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

На графиках (рис. 1а) показаны измеренные и расчетные значения Esw для различных температур Tj.



Рис. 1. Графики зависимости: а) энергии потерь модуля SKM 200GB12T4 от температуры кристалла Tj; б) энергии потерь модуля SKM 200GB12T4 от сопротивления затвора RG; в) времени переключения от сопротивления затвора

Время спада tf и потери выключения Eoff для компонентов, производимых по Trench-технологии, практически не зависят от величины сопротивления затвора RG. Это справедливо и для элементов новой генерации, что подтверждается эпюрами, приведенными на рис. 1б. Судя по графикам на рис. 1в, время выключения tf в некоторой зоне даже спадает при увеличении RG. У кристаллов Е4 при тех же условиях наблюдается уменьшение di/dt, именно поэтому они выбраны для наиболее мощных версий силовых ключей. Благодаря данным свойствам кристаллов облегчается их надежная работа в рамках RBSOA и SCSOA (область безопасной работы в режиме выключения и КЗ) с учетом переходных перенапряжений (рис. 2а).



Рис. 2. Графики: а) зависимости суммарного напряжения при выключении IGBT T4/E4 от тока коллектора IC (VCC = 800 В, Tj = 25 °C); б) динамических потерь (приведенных к IC = 100 А) для различных типов Trench 4

Коммутационные перенапряжения

Резкий спад тока при выключении силового модуля вызывает появление всплеска напряжения на его коллекторе. Коммутационные пики добавляются к напряжению питания DC-шины, и образующийся в результате суммарный сигнал VCE = VDC + dV может превысить напряжения пробоя IGBT. Особенно опасным данный эффект становится при отключении тока КЗ, когда значение di/dt максимально.

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 и более вольт.

Измерения, проведенные на дополнительных сигнальных выводах коллектора и эмиттера (Ex, Cx), расположенных непосредственно рядом с чипом IGBT, показали, что наибольшее значение перенапряжения dVCEmax наблюдается в следующих случаях:

  • На «холодном» кристалле (рис. 3а), при этом в зависимости от температуры чипа максимум может регистрироваться при различных значениях резистора затвора RG.
  • При увеличении напряжения питания DC-шины (рис. 3б).
  • При увеличении тока коллектора и di/dt (рис. 3в).
  • При использовании более быстрых чипов, как показано на рис. 3г, (в нашем случае — Т4).
  • При уменьшении длительности импульса проводимости tp (рис. 3в).



Рис. 3. Кривые зависимостей: а) максимального значения напряжения V (VCC + dV) при температуре 25 и 150 °С (VCC = 600 B, IC = 2ICnom = 800 A) и различных значениях RG; б) амплитуды переходных перенапряжений в зависимости от IC для двух значений VDC; в) максимального значения напряжения V (VCC + dV) для версий Т4/Е4 от резистора затвора (VCC = 600 B, IC = 2ICnom = 800 A); г) максимального тока выключения от длительности импульса проводимости tp (VCC = 800 B)

Интересной особенностью технологии Trench 4 является аномальная «прямая» зависимость скорости выключения di/dt и, соответственно, коммутационных перенапряжений от сопротивления затворного резистора RG(off). Характеристика возвращается к своему обычному виду только при достаточно больших величинах резистора затвора (> 20 Ом для модуля с номинальным током 300 А). При нормальных условиях эксплуатации это приводит к росту потерь выключения Eoff, однако столь большие номиналы RG(off) можно использовать только в режиме «плавного» отключения SSD (Soft Shut-Down) при срабатывании защиты от КЗ.

Для обеспечения безопасной работы в предельных динамических режимах (особенно при отключении токов КЗ) общей рекомендацией является установка специального снабберного конденсатора на терминалах питания модуля.

Защита от короткого замыкания

Важнейшим 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 характеристики IC = f(VGE). До появления тонкопленочных технологий этот показатель обычно равнялся 10 мкс при комнатной температуре. Значение энергии, рассеиваемой в режиме КЗ, ограничивается максимально допустимой температурой кристалла Tj = 150 °C и предельным напряжением на шине питания Vdc = 800 B.

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

  • «полумягкий» — КЗ на кабель нормированной индуктивности, подключенный между IGBT и соответствующим потенциалом DC-шины;
  • «жесткий» — КЗ при одновременном включении обоих ключей полумоста.



Рис. 4. Состояния короткого замыкания: а) «полумягкий» режим КЗ (Tj = 150 °C, Vcc = 800 B, VCEmax = 1038 B, ICM = 5,2ICnom = 2360 A, RG = 15 Ом); б) жесткий режим КЗ (Tj = 150 °C, Vcc = 800 B, VCEmax = 1026 B, ICM = 4,5ICnom = 2000 A, RG = 15 Ом)

При напряжении питания VCC ≤ 600 В безопасное отключение IGBT должно происходить при номинальном значении резистора затвора и при условии достаточно быстрой реакции защиты по напряжению насыщения (например, когда она успевает отключать IGBT при токе КЗ ISC ≤ 2ICnom). При «жестком» КЗ пиковое значение тока ISC определяется распределенной индуктивностью цепи LSCmin и напряжением DC-шины. Время нарастания тока до выхода силового ключа из насыщения может быть приблизительно рассчитано по формуле tSC = (LSCmin × 3ICnom)/VCCmax. Схема защиты должна отключить IGBT до наступления этого состояния.

При напряжении на DC-шине, превышающем 600 В, рекомендуется использование режима «плавного» выключения (STO — Soft Turn-Off или SSD — Soft Shut-Down), то есть снизить скорость выключения. Этого можно достичь с помощью увеличения номинала резистора затвора RGoff или за счет использования специальной траектории изменения VGE, например введения промежуточной ступеньки управления VGoff = 0.

Точное значение сопротивления затвора для режима SSD определяется экспериментально, оно должно гарантировать отсутствие опасных выбросов напряжения при отключении тока КЗ. В нашем примере при VCC = 800 B для выключения модуля SEMiX с номинальным током 450 А используются режим SSD и резистор RGoff = 15 Ом (при номинальном значении 2 Ом). Кроме того, для применений высокой мощности рекомендуется установка в цепи затвора стабилитрона с напряжением 15 В. Это позволяет исключить всплеск напряжения на затворе вследствие эффекта Миллера и, соответственно, ограничить дальнейшее возрастание тока ISC.

Электромагнитная совместимость

Состав спектра электромагнитных помех инвертора зависит 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). Вид типовой зависимости di/dt от резистора затвора для IGBT T4 с номинальным током 100 А показан на рис. 5а. С ростом температуры характер коммутации становится плавным, и указанные значения градиентов снижаются на 50–60%.



Рис. 5. Вид типовой зависимости: а) di/dt = f(RG) для IGBT 12T4 (Tj = 150 °C, Vcc = 600 B, VGE = ±15 B); б) ОБР для параллельного соединения 6*SEMiX 453GB12E3 (Tj = 25 °C, RG(off) = 3,9 Ом)

Параметры di/dt, dv/dt при включении могут быть определены соответствующим выбором RG. Зависимость между номиналом резистора затвора и градиентами тока и напряжения, а также потерями включения, является практически линейной.

Довольно неожиданным является тот факт, что скорость выключения Trench 4 почти не снижается с ростом сопротивления затвора, как показано на рис. 6. Параметр di/dt практически линейно зависит от тока коллектора IC и в очень малой степени — от напряжения DC-шины.



Рис. 6. Зависимость между номиналом резистора затвора и градиентами тока: а) включение и б) выключение IGBT T4 (150 A) при RG = 0,5 и 8 Ом (зеленый — VCE, красный — IC)

В определенном диапазоне увеличение номинала RG даже несколько повышает скорость выключения тока, и только при больших величинах сопротивления затвора (>10 RGnom) она снова начинает спадать. 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 снижаться. При этом электронов, которые могли бы создать дополнительный ток, уже нет, а оставшееся небольшое количество дырок быстро рассасывается, что приводит к увеличению скорости выключения [3].

Внутренний резистор затвора RGint

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 свойств 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 характеристик драйвера: предельного тока управления IGM или минимального резистора затвора RGmin.

Антипараллельные диоды

Для того чтобы модернизированные кристаллы IGBT Т4 наиболее полно проявили свои преимущества, они должны использоваться с антипараллельными диодами, согласованными с ними по плотности мощности, статическим и динамическим характеристикам. Для решения этой задачи фирма SEMIKRON создала 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 диодов CAL4 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.

Взаимозаменяемость

Для большинства применений замена модулей IGBT предыдущих серий на компоненты 4-го 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).

Требования к дизайну DC-шины остаются прежними, главным из них является необходимость обеспечения минимального значения распределенной индуктивности. Для реализации этой задачи конструкция шины должна быть симметричной и копланарной, снабберные емкости должны быть установлены на терминалы питания каждого IGBT-модуля. Цепи управления IGBT должны быть максимально симметричными, соединение драйвера с индивидуальными резисторами затвора следует выполнять витой парой.

Параллельное соединение

Параллельное соединение модулей IGBT — обычный способ повышения выходного тока преобразователей. Основной проблемой при этом является выравнивание токов в статическом и динамическом режимах, а также обеспечение минимального и равного уровня коммутационных перенапряжений.

Версия чипов E4 с меньшей скоростью переключения и лучшими характеристиками выключения была разработана именно для обеспечения безопасной работы IGBT при их параллельном соединении. В ходе испытаний инвертора, состоящего из 6 модулей SEMiX 453GB12E4 (ICnom = 450 A), было доказано, что такая сборка способна надежно работать при напряжении DC-шины Vdc = 800 B и токе, равном двойному номинальному значению (6 × 2 × ICnom = 5400 A). Очевидно, что дизайн силовых соединений сборки был выполнен в соответствии со всеми стандартными требованиями (рис. 7а):

  • низкоиндуктивная копланарная DC-шина;
  • снабберный конденсатор на терминалах питания каждого IGBT;
  • индивидуальная плата адаптера на управляющих выводах модулей;
  • соединение драйвера с адаптерными платами с помощью витых пар одинаковой длины.



Рис. 7. а) Стенд для проверки работы параллельного соединения шести SEMiX 453GB12E4 (обратите внимание на расположение плат с резисторами затвора и платы драйвера); б) динамическое распределение токов параллельных модулей

При расчете максимального тока группы параллельных ключей необходимо учитывать принятый для такого случая коэффициент снижения тока, составляющий 10–20%. Необходимость этого обусловлена неравномерностью распределения тока в ключах в динамическом режиме, которая, в свою очередь, вызвана асимметрией подключения АС-выводов шести элементов сборки. Цепь подключения ближайшего к точке объединения (в центре) модуля имеет минимальный импеданс цепи. Соответственно, ток выключения для этого IGBT будет наибольшим, что вызывает и соответствующее воздействие на динамические свойства схемы. Как показано на рис. 7б, токи параллельных модулей в процентном соотношении распределяются от 13,6 до 19% от суммарного значения (среднее значение — 16,6%). Распределение токов между верхним и нижним ключами полумоста, а также между модулями в режиме включения практически равномерное.

Стойкость к термоциклированию

Как уже было сказано, кристаллы T4/CAL4 могут надежно функционировать и при постоянной температуре чипов 150 °C, и ее повышении до 175 °C в режиме кратковременной перегрузки. Расширения диапазона рабочих температур при сохранении показателей надежности и стойкости к термоциклированию удалось добиться благодаря кардинальному усовершенствованию ряда технологических процессов, в первую очередь технологии ультразвуковой сварки выводов.

Ожидаемый ресурс для модулей серии 12Т4 составляет 20 000 циклов при градиенте температуры ΔTj = 125 К, что превышает значение, полученное по программе LESIT для модулей IGBT предыдущих поколений в стандартных конструктивах (рис. 8). Данные о надежности были использованы для составления таблиц соответствия компонентов различных серий, приведенных далее.



Рис. 8. Зависимость количества термоциклов до отказа от средней температуры Tjm и ее градиента ΔTj

Для определения срока службы силовых ключей в реальных условиях эксплуатации проводятся различные виды ускоренных испытаний, к которым относятся и тесты на термоциклирование. Они проводятся при повышенных градиентах температуры (например, ΔTj = 100 K или ΔTj = 125 K), которые в несколько раз превышают величины, наблюдаемые, например, в циклическом режиме работы транспортных приводов. Соответствующее значение ресурса для реальных условий работы (ΔTj = 30…60) вычисляется на основании аппроксимированных кривых, построенных на основе результатов ускоренных тестов [5]. Графики, представленные на рис. 8, показывают зависимость вероятного количества циклов Nf до отказа 1% модулей от средней температуры кристалла Tjm и ее градиента ΔTj.

Таблица соответствия

Информация, приведенная в таблицах 3 и 4, определяет в первом приближении соответствие компонентов серий 126, 128 и Т4/Е4 в схеме 3-фазного инвертора с воздушным охлаждением при частоте переключений fsw = 4…8 кГц. Расчеты основаны на условии, что номинальная температура кристаллов Tj для 126-й и 128-й серий составляет 125 °C, в то время как чипы IGBT Trench 4 рассчитаны на более высокую рабочую температуру (Tjnom = 150 °C, Tjovl = 175 °C). Это означает, что модули новой генерации обеспечивают в инверторных применениях соответствующий запас, как по номинальному току, так и по току перегрузки. Обратите также внимание на широкую номенклатуру новых компонентов, позволяющую осуществить оптимальный выбор.

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

Технология IGBT Схема Тип корпуса
Trench 3 (126) SPT (128) Trench 4 (T4)
  SKM75GB128D SKM50GB12T4  
  SKM100GB128D SKM75GB12T4 2
SKM195GB126D SKM145GB128D SKM100GB12T4 2
    SKM150GB12T4 2
SKM200GB126D SKM150GB128D SKM100GB12T4G 3
SKM300GB126D SKM200GB128D SKM150GB12T4G 3
SKM400GB126D SKM300GB128D SKM200GB12T/E4 3
SKM600GB126D SKM400GB128D SKM300GB12T/E4 3
    SKM400GB12T/E4 3
SKM195GAL126D SKM145GAL128D SKM150GAL12T4 2
SKM200GAL126D   SKM150GAL12T4 3
SKM400GAL126D SKM300GAL128D SKM200GAL12T/E4 3
SKM600GAL126D SKM400GAL128D SKM300GAL12T/E4 3
    SKM400GAL12T/E4 3
  SKM145GAR128D SKM150GAR12T4 3
  SKM400GAR128D SKM300GAR12T/E4 2
    SKM400GAR12T/E4
  SKM300GA128D SKM300GA12T/E4   4
SKM600GA126D SKM400GA128D SKM300GA12T/E4 4
SKM800GA126D SKM500GA128D SKM400GA12T/E4 4
    SKM600GA12T/E4 4

Таблица 4. Соответствие модулей семейства SEMiX серий 126, 128, Т4

Технология IGBT Схема Тип корпуса
Trench 3 (126) SPT (128) Trench 4 (T4)
SEMiX252GB126HDs SEMiX202GB128Ds SEMiX151GB12E4s  
      2s
SEMiX302GB126HDs SEMiX302GB128Ds SEMiX202GB12E4s 2s
SEMiX452GB126HDs SEMiX352GB128Ds SEMiX302GB12E4s 3s
    SEMiX303GB12E4s 3s
SEMiX353GB126HDs   SEMiX303GB12E4s 3s
SEMiX503GB126HDs SEMiX403GB128Ds SEMiX303GB12E4s 3s
SEMiX703GB126HDs SEMiX553GB128Ds SEMiX453GB12E4s 3s
SEMiX604GB126HDs   SEMiX404GB12E4s 4s
SEMiX904GB126HDs SEMiX754GB128Ds SEMiX604GB12E4s 4s
    SEMiX604GB12E4s 4s
SEMiX101GD126HDs SEMiX101GD128Ds SEMiX71GD12E4s 13
SEMiX151GD126HDs SEMiX151GD128Ds SEMiX101GD12E4s 13
SEMiX251GD126HDs SEMiX201GD128Ds SEMiX151GD12E4s 13
    SEMiX151GD12E4s 13
SEMiX353GD126HDc   SEMiX303GD12E4c 33c
SEMiX503GD126HDc SEMiX403GD128Dc SEMiX303GD12E4c 33c
SEMiX703GD126HDc SEMiX553GD128Dc SEMiX453GD12E4c 33c
    SEMiX453GD12E4c 33c
    SEMiX151GAL12E4s 1s
SEMiX452GAL126HDs SEMiX352GAL128Ds SEMiX302GAL12E4s 2s
SEMiX703GAL126HDs SEMiX553GAL128Ds SEMiX453GAL12E4s 3s
    SEMiX151GAR12E4s 1s
SEMiX452GAR126HDs SEMiX352GAR128Ds SEMiX302GAR12E4s 2s
SEMiX703GAR126HDs SEMiX553GAR128Ds SEMiX453GAR12E4s 3s



Рис. 9. Зависимость максимального выходного тока 3-фазного инвертора от частоты коммутации fsw для модулей: а) SEMITRANS; б) SEMiX

Сказанное подтверждается графиками, приведенными на рис. 9, где показана зависимость максимального выходного тока 3-фазного инвертора от частоты коммутации для трех типов IGBT: Trench 3 (126-я серия), SPT (128-я серия) и Trench 4 (серия Т4/Е4). Расчеты выполнены для следующих условий эксплуатации:

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

Следует отметить, что показанные вариан- ты замены 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 компании SEMIKRON.

Заключение

Усовершенствованная технология Trench 4 позволяет расширить область рабочих частот, увеличить плотность мощности, обеспечить бóльший запас по перегрузкам. Для получения максимальной отдачи от использования 4-го поколения чипов IGBT компания SEMIKRON разработала новую серию антипараллельных диодов CAL 4, наилучшим образом согласованных с транзисторами по температурным и динамическим параметрам.

В ближайшее время технология Trench 4 должна быть внедрена во все семейства силовых ключей, выпускаемых SEMIKRON. Наиболее интересные результаты ожидаются от использования IGBT T4 в самой популярной и мощной серии модулей SEMIKRON — SKiiP. Мы обязательно расскажем об этом в одном из ближайших выпусков журнала.

За более подробной информацией можно обратиться в офис технической поддержки компании SEMIKRON в Санкт-Петербурге.

Литература

  1. Wintrich A. IGBT4 and free wheeling diode CAL4 in IGBT modules. AN-9001, SEMIKRON International, 2009.
  2. Annacker R., Herzer R. IGBT4 Technology Improves Application Performance. SEMIKRON International, 2007.
  3. Hüsken H., Frank W. Balancing losses and noise considerations for choosing the gate resistor. Nuremberg: PCIM, 2006.
  4. Freyberg M., Scheuermann U. Measuring Thermal Resistance Of Power Modules. PCIM. 2003. No 5.
  5. Колпаков А. О термоциклах и термоциклировании // Силовая электроника. 2006. № 2.
*  *  *

Другие статьи по этой теме


Скачать статью в формате PDF

Скачать статью в формате PDF 2009_3_13.pdf  

 
ПОДПИСКА НА НОВОСТИ

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