Силовая электроника №6'2012

Дискретные 600-В XPT IGBT семейства GenX3

Саттар Абдус (Abdus Sattar)

Цуканов Владимир (Vladimir Tsukanov)


Статья рассказывает о новом семействе GenX3 высоко эффективных и простых в управлении дискретных 600-В XPT IGBT (eXtremely rugged eXtremaly light Punch Through), разработанных компанией IXYS. Эти устройстыва были созданы с учетом понимания основных «узких мест» современных транзисторов, способных привести к преждевременному их выходу из строя и рассчитаны на применение в схемах, требующих высокой эффективности и надежности в долгосрочной перспективе.

Инженеры, разрабатывающие силовую преобразовательную технику с дискретными IGBT, чаще всего выбирают их на основании критериев производительности (технических параметров) и цены. Обычно они обращают внимание на величину блокирующего напряжения, корпус, тепловые (TJM, RthJC и ZthJC) и электрические характеристики (Vce(sat), Eon, Eoff), ассоциируемые с потерями проводимости и коммутации, а иногда и на параметры области безопасной работы SCSOA (обычно это важно для управления электродвигателями). В то же время другие параметры, такие как рабочая температура, надежность устойчивой работы «в поле», общая цена разработки печатной платы, драйвера управления и защитных схем, обычно остаются за рамками первоначальной оценки компонентов.

В последнее время нескольким производителям силовых компонентов удалось представить новые очень эффективные IGBT семейства Trench Field Stop. Данные транзисторы обеспечили существенное снижение потерь проводимости и коммутации по сравнению с теми элементами, которые производились всего несколько лет назад. Но, к сожалению, данные улучшения были получены за счет увеличения заряда затвора, снижения величины максимального управляющего напряжения и сужения области безопасной работы SCSOA. В результате область применения новых Trench Field Stop IGBT оказалась сужена за счет увеличения стоимости защитных цепей, необходимости более мощного драйвера управления и возросших требований по снижению паразитных индуктивностей силовой схемы и конструкции, а также добавления новых снабберных элементов.

Опытные инженеры знают стоимость возможных потерь в случае, если IGBT недостаточно хорошо защищены и недостаточно надежны. Дополнительная защита от перегрева и превышения рабочих электрических параметров будет в итоге сказываться на стоимости системы, ориентированной на длительное время эксплуатации.

Компания IXYS разработала новое семейство GenX3 дискретных 600-В XPT IGBT (eXtremely rugged eXtremaly light Punch Through), ориентированных на рынок высоконадежных, высоко эффективных и простых в управлении IGBT. Устройство GenX3 IGBT возникло в результате понимания основных «узких мест» современных транзисторов, способных привести к преждевременному их выходу из строя. Эти IGBT рассчитаны на применение в схемах, требующих высокой эффективности и надежности в долгосрочной перспективе.

Надежность, отказоустойчивость, уверенность

Поскольку 600-В GenX3 IGBT обладают высокой надежностью, их основные характеристики выглядят следующим образом:

  • максимальная рабочая температура +175 °С, низкое тепловое сопротивление RthJC и высокая удельная мощность;
  • «квадратная» область безопасной работы при обратном токе RBSOA (для 600 В на +150 °С), способность к ограничению выбросов — все транзисторы имеют 100%-ный выходной контроль и способны выдерживать существенные лавинные токи при индуктивной нагрузке;
  • 10 мкс в режиме ограничения тока короткого замыкания (SCSOA) при +150 °С и 360 В, а также широкая защищенная область безопасной работы прямой проводимости FBSOA;
  • положительный коэффициент изменения dVce(sat)/dT и малый разброс параметров (Vge(sat) и Vcs(sat));
  • низкий заряд затвора и низкая входная емкость при включении и выключении;
  • низкое отношение Cres/Cies, сравнительно высокое допустимое напряжение на затворе даже при высоких температурах и при малой величине резистора в цепи управления.

Чтобы показать наглядно влияние перечисленных характеристик на эффективность, надежность и стоимость готового решения, рассмотрим их более подробно.

  • IXYS рекомендует использовать Gen3 XPT IGBT при температурах до +175 °С, что является максимально допустимой рабочей температурой кристалла. Если Tj растет и остается на максимально допустимом уровне продолжительное время, разработчик должен ожидать необратимых изменений пластиковых элементов корпуса дискретного транзистора. Обозначенная максимально допустимая рабочая температура — это способность кристалла выдерживать короткие импульсы мощности, которые поднимают температуру до указанного значения. Данное высокое значение наряду с низким тепловым сопротивлением есть результат малой толщины кристалла транзистора (особенность технологии XPT компании IXYS), что позволяет ему эффективно рассеивать излишки тепла на основание корпуса.
  • Широкая область безопасной работы на обратном токе RBSOA и способность кристалла к ограничению выбросов увеличивает устойчивость ключа к выбросам напряжения «коллектор–эмиттер» (C–E), которые могут превышать значение максимального блокирующего напряжения BVces. Таким образом, наличие области RBSOA и способность кристалла к ограничению выбросов позволяют получить хорошие характеристики закрытия транзистора при работе на индуктивную нагрузку или же получить хорошую характеристику восстановления прямой проводимости обратного диода в мостовой схеме (H-bridge). Очевидно, что высокая надежность Gen3 XPT IGBT позволяет применять их на высоких напряжениях и больших скоростях изменения тока dIc/dt. В итоге разработчик получает возможность работать на более высоких допустимых частотах, при более высоких значениях тока коллектора и при больших выбросах напряжения, что позволяет во многих случаях отказаться от дополнительной снабберной цепи.
  • Расширенная область безопасной работы в режиме ограничения тока короткого замыкания SCSOA предоставляет разработчику возможность более гибкого назначения времени срабатывания защитных схем и обработки аварийных режимов, которые могут возникнуть из-за остановки ротора двигателя и/или при выходе из строя других элементов схемы. На рис. 1 изображен пример схемы включения, в которой нагрузка включена в цепь коллектора последовательно с источником напряжения Vcs. Когда нагрузка закорочена, напряжение Vce приложено к коллектору транзистора и приводит к быстрому нарастанию тока через транзистор.

По прошествии некоторого времени происходит разогрев транзистора за счет рассеиваемой мощности. Поэтому в данном случае важна способность транзистора не только проводить большой ток, но и выдерживать высокое приложенное напряжение. Главным параметром, который определит способность транзистора не выйти из строя в режиме короткого замыкания, будет его способность гарантированно выдерживать высокий ток в промежутке времени, достаточном для срабатывания схемы защиты, которая выключит транзистор. 10 мкс области SCSOA на срабатывание схемы защиты, обеспечиваемые 600-В Gen3 XPT IGBT, являются несколько консервативным значением по сравнению с 5 мкс у новых транзисторов других производителей. Этот временной промежуток дает простор для различных технических решений, в том числе и более простых. Фактически, Gen3 XPT IGBT способны выдерживать токи короткого замыкания более 20 мкс, что объясняет, почему компания IXYS не обозначает количество максимально допустимых выходов транзистора в режим КЗ на протяжении всего срока эксплуатации. Ток транзистора Gen3 XPT IGBT в режиме короткого замыкания существенно ниже тока короткого замыкания в транзисторе Trench Field Stop, и фирма уверенно гарантирует допустимость десятков тысяч выходов в КЗ на протяжении срока эксплуатации оборудования. Расширенная область безопасной работы при прямой проводимости FBSOA может оказать существенное влияние на надежность изделия в случае аварийной ситуации (например, снижение управляющего напряжения драйвера в момент включения или выход из строя других компонентов схемы).

  • Положительный температурный коэффициент dVce(sat)/dT наряду с малым разбросом параметров при массовом производстве позволяет использовать транзисторы Gen3 XPT IGBT в параллельном включении. Наличие встроенного быстрого обратного диода семейства SONIC (определяется суффиксом H1 в названии транзистора) позволяет применять параллельно такие транзисторы за счет положительного температурного коэффициента dVf/dT диода даже на очень малых значениях прямого тока через диод.
  • Gen3 XPT IGBT предлагают меньшие значения заряда затвора Qg и входной емкости Cies по сравнению с Trench Field Stop IGBT. Меньшие номинальные значения данных параметров обеспечивают сокращение задержки времени переключения, что в результате снижает требования к драйверу управления, например упрощает защиту от сквозных токов в высокочастотной мостовой схеме и уменьшает эффект от паразитной индуктивности в цепи затвора.
  • Малое значение отношения емкости Миллера (G–C) к емкости «эмиттер–коллектор» в совокупности с относительно высоким значением напряжения Vgeth и малым собственным сопротивлением затвора обеспечивают Gen3 XPT IGBT высокую устойчивость к помехам (dVce/dt) и позволяют защитить транзистор от включения паразитными помехами, не прилагая к этому особых усилий.
 Пример схемы включения

Рис. 1. Пример схемы включения

Семейство GenX3 XPT IGBT 600 В

Транзсторы GenX3 предлагаются в настоящее время в нескольких диапазонах мощности и в двух разновидностях по скорости (версии B и C). Они поставляются в стандартных промышленных корпусах в конфигурациях: одиночный IGBT и IGBT со встроенным обратным быстрым диодом. Каждый тип транзистора является оптимизированным для определенного приложения, исходя из динамических и статических потерь, скорости переключения и времени восстановления.

GenX3 IGBT могут быть найдены по первым буквам маркировки IXX и наличию суффикса «3» в каталоге и на сайте компании IXYS. Дискретные XPT IGBT оптимальны для работы в условиях жесткой коммутации на частотах 5–30 кГц (суффикс «B») и на частотах 30–60 кГц (суффикс «C»).

Сравнение с Trench Field Stop IGBT

В таблице 1 приведены сравнительные параметры транзисторов IXYS IXXH50N60C3D1 и Infineon TrenchStop IGBT IKW50N60H3), взятые из официальной документации. Очевидно, что данный XPT IGBT среди различных доступных для сравнения кристаллов наиболее близок к обозначенному транзистору компании Infineon. В то же время у IXXH50N60C3 существенно меньший заряд затвора, что говорит о более низких потерях коммутации. Высокая скорость переключения определяется скоростью изменения напряжения на входной емкости транзистора, которая складывается из Cies = Cge+Cgc. Меньшая входная емкость Cies обеспечивает более высокую скорость коммутации, поскольку снижает время, необходимое на изменение напряжения. Очевидно, что транзистор компании IXYS показывает более выдающиеся динамические характеристики.

Таблица 1. Сравнительные параметры транзисторов IXYS IXXH50N60C3D1
и Infineon TrenchStop IGBT IKW50N60H3

Транзистор Соотношение напряжение/ток при +25 °С, В/А VCE(sat), В QG, нКл tsc, мс Cies, нКл Отношение Cgc/Cge EAS, мДж
IXXH50N60C3D1 Co-pack (TO-247) 600/100 2,3 64 10 2324 42/2278 = 0,0184 200
IKW50N60H3 Co-pack (TO-247) 600/100 2,3 315 5 2960 96/2864 = 0,0335

На рис. 2 показана упрощенная тестовая схема индуктивной нагрузки, которую мы использовали для эксперимента. На рис. 3 приведены снятые осциллограммы. Все тесты проводились при одинаковых условиях: Vcc = 400 В, Id = 50 А и L1 = 100 мкГн.

 Тестовая схема для испытания в режиме «индуктивной нагрузки»

Рис. 2. Тестовая схема для испытания в режиме «индуктивной нагрузки»


 Осциллограммы транзистора: а) IXXH50N60C3; б) IKW50N60H3 Infineon

Рис. 3. Осциллограммы транзистора: а) IXXH50N60C3; б) IKW50N60H3 Infineon

В таблице 2 приведены характеристики переключения транзисторов при включении и выключении при температуре +25 и +125 °С. При +25 °С общие потери составили 1,34 мДж для IXXH50N60C3D1 и 1,415 мДж для IKW50N60H3, в то время как при +125 °С — 1,915 мДж для IXXH50N60C3D1 и 2,270 мДж для IKW50N60H3. В случае жестких переключений с индуктивной нагрузкой потери на включение выше потерь при выключении, если не принимать во внимание потери на закрытие обратного диода в момент включения транзистора. Потери включения определяются наличием полевой MOSFET-структуры в IGBT. В этом случае наличие быстрого драйвера управления может существенно сократить потери при включении. Наоборот, потери закрытия IGBT определяются накопленным зарядом в структуре и оцениваются скоростью изменения тока и напряжения dV/dt и dI/dt, являющихся следствием «хвоста» тока на устранение остаточного заряда структуры. Результат испытаний показывает, что транзистор IXXH50N60C3D1 демонстрирует лучшие характеристики переключения, чем IKW50N60H3.

Таблица 2. Характеристики переключения транзисторов при включении и выключении

Транзистор Время задержки при выключении, Td(off), нс Полное время, Tf, нс Время задержки при включении, Td(on), нс Время нарастания Т, нс Потери энергии при выключении, Eoff, мДж Потери энергии при включении, Eon, мДж Общие потери, Eon+Eoff, мДж
+25 °С
IXXH50N60C3D1 68 34 28 53 0,43 0,91 1,340
IKW50N60H3 225 30 32 50 0,485 0,93 1,415
+125 °С
IXXH50N60C3D1 76 30 27 51 0,515 1,4 1,915
IKW50N60H3 242 27 30 41 0,5 1,77 2,270

Примечание. Условия испытаний: Rg = 5 Ом; Vcc = 400 В; Ic = 50 А; L1 — 100 мкГн.

Возможные области применения

Выбор оптимального IGBT для конкретного приложения связан с определенными временными затратами. В силовых коммутационных схемах IGBT испытывают электрические и тепловые перегрузки наряду с возможными короткими замыканиями и выключениями с выбросами напряжения при индуктивной нагрузке. Наличие области безопасной работы в режиме короткого замыкания SCSOA определяет характеристики работы транзистора при прямой проводимости FBSOA, в то время как режим выключения с индуктивной нагрузкой определяется наличием области безопасной работы на обратном токе RBSOA. Способность транзистора выдерживать обозначенные критические режимы работы является важным требованием при выборе IGBT для конкретного приложения.

GenX3 XPT IGBT оптимизированы для снижения потерь мощности, улучшения эффективности преобразования и снижения требований к охлаждению при одновременном увеличении плотности токов коммутации. Целевыми приложениями являются: бесперебойные импульсные источники питания (UPS), управление электродвигателями, инверторы напряжения, сварочное оборудование, альтернативные источники электроэнергии, интеллектуальные промышленные системы энергообеспечения (smart-grid), источники питания для медицинской техники, DC/DC-преобразователи, корректоры коэффициента мощности и системы освещения.

*  *  *

Другие статьи по этой теме


Скачать статью в формате PDF

Скачать статью в формате PDF 2012_06_36.pdf  

 
ПОДПИСКА НА НОВОСТИ

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