Модули Mitsubishi Electric на базе 6-го поколения IGBT

Такео Нисияма (Taketo Nishiyama)

Юджи Миязаки (Yuji Miyazaki)

Перевод: Роман Фукалов

Биполярные транзисторы с изолированным затвором — основной компонент инверторов, источников питания и электропривода. Модули IGBT выпускаются в широкой гамме мощностей от менее чем 1 кВт до более чем 1 МВт. В настоящее время на рынок выходит новое (6-е) поколение транзисторов IGBT от компании Mitsubishi Electric.


IGBT-модули серии NX

Обычно модули IGBT — в зависимости от их мощности и назначения — выпускаются в корпусах различного размера и конфигурации. Более того, они содержат большое число различных компонентов, таких как корпус, базовая пластина, силовые выходы и т. д. В серии NX используется другой подход: ключевой особенностью данных устройств является использование унифицированных частей корпуса при создании различных типов модулей: ключ, полумост, «7 в 1», CIB (выпрямитель, инвертор, тормозной ключ) и т. д. Конструкция корпуса позволяет создавать различные варианты внутренней топологии и свободно размешать выходы. Примеры корпусов показаны на рис. 1.



Рис. 1. Пример корпусов серии NX: а, б) «7 в 1»; в, г) «2 в 1»

Технология

Развитие кристаллов IGBT

На рис. 2 можно увидеть эволюцию IGBT от по- коления к поколению. Для оценки производительности используется понятие добротности (Figure of Merit). Она определяется как плотность тока через кристалл (Jc), поделенная на произведение напряжения насыщения (VCE(sat)) и потерь на выключение (Eoff) (значения даны при номинальной нагрузке на кристалл и температуре кристалла Tj = 125 °C). Видно, что CSTBT (Carrier Stored Trench Gate Bipolar Transistor) имеет лучшую производительность, чем обычные траншейные транзисторы, а производительность 6-го поколения IGBT на 30% больше, чем у CSTBT.



Рис. 2.
Эволюция IGBT

6-е поколение IGBT

На рис. 3 показаны структуры кристалла 6-го и 5-го поколений IGBT. Обе они используют технологию CSTBT. Первым отличием 6-го поколения является переход кристальной технологии от NPT (Non Punch Through) к LPT (Light Punch Through) и к более тонким кристаллам. Вторым отличием является оптимизация структуры затвора с целью улучшения соотношения между VCE(sat) и Esw(off).



Рис. 3: Структура кристаллов IGBT: а) 5-е поколение; б) 6-е поколение

Ячейки затвора расположены более плотно, оптимизирован дополнительный N+-слой, обеспечивающий блокировку утечки зарядов. Результат этих изменений — значительное уменьшение потерь (рис. 4). Необходимо учитывать, что чем меньше потери в приборе, тем сложнее обеспечивать зону безопасной работы при коротком замыкании (SCSOA). На рис. 5 можно увидеть пример осциллограммы короткого замыкания для 6-го поколения кристаллов. Благодаря оптимизации затвора удалось добиться стойкости к токам короткого замыкания более 10 мкс без ухудшения КПД прибора.



Рис. 4. Зависимость между VCE(sat) и Esw(off) (Tj = +125 °C)



Рис. 5. Осциллограмма SCSOA (модуль 1200 В/150 A, VCC = 800 В, VGE = +15/–15 В, RG = 30 Ом, tp = 10 мкс, Tj = +125 °C)

Антипараллельный диод

На рис. 6 изображены структуры обычного и нового антипараллельного диода, используемого в серии NX. Как показано на рис. 7, использование более тонких кристаллов способствует уменьшению как статических (Vf), так и динамических (Esw(rec)) потерь.



Рис. 6.Структура кристаллов FWDi: а) обычный диод; б) новый диод



Рис. 7. Зависимость между Vf и Esw (Tj = +125 °C)

Поведение новых модулей при включении и выключении

Уменьшение dv/dt при включении отлично срабатывает для уменьшения электромагнитных помех, вызываемых преобразователем. Обычно скорость dv/dt можно уменьшить, изменяя сопротивление затвора. Негативным при этом является то, что при уменьшении dv/dt увеличиваются потери на включение (Esw(on)). На рис. 8 показана зависимость между Esw(on) и dv/dt. Как видно, в 6-м поколении IGBT потери Esw(on) на 20% меньше, чем у обычных IGBT, при одной и той же скорости dv/dt = 7,5 кВ/мкс. Также благотворное влияние на соотношение между Esw(on) и dv/dt оказывает новый антипараллельный диод (благодаря своему мягкому восстановлению). Как результат, 6-е поколение позволяет добиться низкого уровня помех при низком уровне потерь.



Рис. 8. Соотношение между Esw(on) и dv/dt (Tj = +125°C)

Потери при выключении IGBT зависят от так называемых токовых хвостов. Ток через коллектор не может быть остановлен моментально, так как в N-слое находится большое количество свободных электронов и дырок. Ток спадает со скоростью, зависящей от времени жизни электронов. В шестом поколении IGBT токовый хвост значительно уменьшен благодаря оптимизации LPT-структуры. На рис. 9 показаны осциллограммы выключения 5-го и 6-го поколений IGBT. Видно, что токовый хвост у 6-го поколения значительно меньше и, соответственно, приводит к меньшим потерям Esw(off).



Рис. 9. Осциллограммы выключения Ic = 150 A, VCC = 600 В, Tj = +125 °С: а) 5-е поколение IGBT; б) 6-е поколение IGBT

Уровень потерь

На рис. 10 показаны уровни потерь для 5-го и 6-го поколения модулей IGBT (модули 1200 В, 150 А использованы в инверторе на 30 кВт, напряжение сети 400 В). Затворный резистор в обоих случаях выбран с расчетом на то, чтобы обеспечить одну и ту же скорость dv/dt при включении (7,5 кВ/мкс). Наши расчеты показывают, что 6-е поколение модулей IGBT имеет на 20% меньшие потери, чем модули предыдущего поколения.



Рис. 10. Расчет потерь: а) 5-е поколение IGBT; б) 6-е поколение IGBT

Тепловое моделирование

Тепловое моделирование модуля серии NX показано на рис. 11. Моделирование проведено для полумоста 1200 В, 1000 А, используемого в инверторе при нагрузке 185 кВт и питающем напряжении 400 В. Температура кристаллов при использовании 6-го поколения IGBT в среднем на 25 °С меньше, чем 5-го. Также температура кристаллов антипараллельных диодов меньше в среднем на 21 градус. Таким образом, при использовании 6-го поколения можно уменьшить размеры, вес и стоимость системы охлаждения.



Рис. 11. Тепловое моделирование модулей серии NX при токе нагрузки 420 А (действующее), частота ШИМ 2,5 кГц, cosφ = 0,85: а) полумост серии NX с 5-м поколением IGBT; б) полумост серии NX с 6-м поколением IGBT

Надежность

Во многих случаях срок службы модулей IGBT определяется величиной и количеством колебаний температуры кристаллов IGBT при прерывистом режиме работы. На рис. 12 показаны кривые термоциклирования для модулей серии NX в сравнении с серией H. Видно, что по этому параметру серия NX значительно усовершенствована. 6-е поколение IGBT позволяет поднять температуру кристаллов до +175 °С. Серия NX была протестирована при двух вариантах работы: Tjmax = +125 °C и Tjmax = +175 °C. Видно, что при Tjmax = +175 °C стойкость к термоциклированию меньше, чем при Tjmax = +125 °C, но больше, чем у серии H при Tjmax = +125 °C.



Рис. 12. Стойкость к термоциклированию

Заключение

Серия NX с кристаллами IGBT 6-го поколения показывает высокую производительность и низкий уровень электромагнитных потерь. Вкупе с отличной стойкостью к термоциклированию это позволяет создавать надежную и эффективную преобразовательную технику.

*  *  *

Другие статьи по этой теме


 
ПОДПИСКА НА НОВОСТИ

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