Исследования параметров и характеристик SIC-диодов Шоттки в гибридных IGBT-модулях ОАО «Электровыпрямитель»

Введение

Расширение областей применения приборов силовой электроники и возрастающие требования к их эксплуатационным характеристикам привели к появлению новых широкозонных полупроводниковых материалов, в первую очередь карбида кремния. Новые полупроводниковые приборы на основе SiC позволяют:

• расширить диапазон рабочих частот;
• увеличить диапазон эксплуатационных температур;
• снизить статические и динамические потери;
• повысить стойкость к аварийным режимам работы;
• увеличить надежность и срок службы изделий;
• снизить массу оборудования.

Широкому распространению карбидокремниевых полупроводниковых приборов в силовой электронике по-прежнему препятствует их высокая цена. Однако стоит отметить, что некоторые задачи можно успешно решить с помощью комбинированных схем, в которые входят как SiC-компоненты, так и традиционные кремниевые приборы. К ним относится разработка источников питания и преобразователей на основе ШИМ, имеющих частоты коммутации около 50 кГц. Для этих устройств ОАО «Электровыпрямитель» производит серию гибридных IGBT-модулей на ток до 300 А и напряжение до 1200 В. В данных модулях применяют кремниевые кристаллы IGBT и карбидокремниевые диоды Шоттки в качестве диодов обратного тока.

Диоды Шоттки имеют практически нулевой заряд обратного восстановления, что существенно снижает энергию потерь как при обратном восстановлении диода, так и при включении IGBT, на ток включения которого накладывается импульс тока обратного восстановления диода. Кроме того, при использовании оппозитных диодов с p-n-переходом скорость включения IGBT не должна превышать определенное значение, поскольку при этом в диоде начинает проявляться так называемый эффект «схлопывания» заряда обратного восстановления и возникают колебания тока. Эти колебания приводят не только к дополнительным потерям мощности, но и порой к выходу из строя как диода, так и IGBT. Чтобы предотвратить развитие подобных процессов, скорость включения IGBT регулируется резистором в цепи затвора R_Gon. Если IGBT-модуль использован вместе с SiC-диодами Шоттки, то он может коммутировать ток с максимально допустимым di/dt, т. е. с сопротивлением затворного резистора R_Gon, близким к нулю [1].

При выключении транзистора влияние диодов минимально, а перенапряжения, возникающие при быстром спаде тока коллектора, обусловлены только свойствами самого транзистора [2].

Разработчикам и производителям FRD приходится постоянно решать задачи оптимизации характеристик оппозитных диодов, чтобы потребитель мог максимально использовать возможности IGBT. Применение SiC-диодов Шоттки в качестве оппозитных для IGBT в гибридных модулях позволяет кардинально разрешить все сложные проблемы.

ОАО «Электровыпрямитель» изготавливает силовые гибридные IGBT-модули для различного применения в двух широко распространенных корпусах размерами 34×94 и 62×106 мм. В процессе производства используются чипы SiC-диодов Шоттки нескольких известных производителей. Главный критерий при выборе SiC-диодов для комплектации гибридных IGBT-модулей – достижение оптимального соотношения между совокупностью частотных свойств IGBT и SiC-диода и режимами эксплуатации оборудования заказчика.

Ниже приведены результаты исследований параметров и характеристик трех типов SiC-диодов Шоттки на напряжение 1200 В, условно обозначенных как SiC D1, SiC D2, SiC D3, которые выпущены различными производителями.

Статические параметры

Для измерения статических и динамических характеристик исследуемые SiC-диоды собирали в гибридные модули по схеме полумоста и чоппера в корпусе 34×94 мм (MI3). Измерения статических параметров SiC-диодов были проведены на измерителе характеристик полупроводниковых приборов ПКТУ-1 собственного производства и на комплексе фирмы LEM для измерения статических параметров.

На рис. 1 изображены обратные ВАХ SiC D1, SiC D2, SiC D3 при температурах 25, 125, 150 и 175 °C. Видно, что обратное напряжение V_R при температуре 25 °C у диодов SiC D1 и SiC D2 примерно одинаковое, оно находится в диапазоне 1395-1420 В, а у SiC D3 обратное напряжение составляет 1470 В, что на 5% выше. Обратное напряжение у диодов SiC D1 и SiC D2 с ростом температуры структуры уменьшается, а у SiC D3 – увеличивается.

Рис. 1. Обратные ВАХ SiC-диодов Шоттки при различных температурах:
а) SiC D1;
б) SiC D2;
в) SiC D3

На рис. 2 представлены обратные вольт-амперные характеристики SiC D1, SiC D2, SiC D3 при температурах 150 и 175 °C.

Рис. 2. Обратные ВАХ SiC-диодов Шоттки при температурах:
а) 150 °C;
б) 175 °C

На рис. 2 видно, что SiC D3 имеет ярко выраженный положительный температурный коэффициент напряжения пробоя, тогда как у SiC D1 и SiC D2 он отрицательный. Значения ΔV_BR/ΔT_j для диодов SiC D1, SiC D2 и SiC D3 равны -0,39; -0,6 и +2,92 В/°С соответственно.

На рис. 3 представлены прямые вольт-амперные характеристики SiC-диодов при T_j = 25, 125, 150, 175 °C.

Рис. 3. Прямые ВАХ диодов при различных температурах:
а) SiC D1;
б) SiC D2;
в) SiC D3

Из рис. 3 следует, что инверсия (изменение знака температурной зависимости V_F с отрицательного на положительный) у диодов SiC D1 и SiC D2 происходит при прямом токе 10 А, а у SiC D3 – при 8 А при номинальном токе диода 50 А. Следовательно, для параллельного соединения в многокристальных модулях допустимо использовать диоды всех трех изготовителей. В таблице 1 приведены усредненные значения статических параметров диодов всех трех типов.

Динамические параметры

Как было отмечено выше, скорости изменения тока при включении и выключении IGBT и параметры обратного восстановления FWD являются важнейшими факторами, влияющими на выбор диода обратного тока. Его динамические характеристики, очень сильно связанные с процессом включения IGBT, определяют коммутационные потери при включении транзистора.

Скорость включения и энергия потерь при включении E_on IGBT определяются значением сопротивления R_G в цепи затвора транзистора. Следовательно, этим резистором регулируются и скорость изменения тока di_F/dt, и характеристики обратного восстановления оппозитного SiC-диода.

Исследования динамических параметров диодов проведены стандартным методом с помощью полумостовой испытательной схемы, изображенной на рис. 4.

Рис. 4. Схема для измерения динамических параметров оппозитного диода VD1

На рис. 5-7 представлены зависимости динамических параметров диодов SiC D1, SiC D2 и SiC D3 от скорости спада тока di_F/dt при обратном восстановлении. Был применен следующий режим измерений: V_CC = 600 В, I_C = 50 А, T_j = 125°C.

На рис. 5 показаны зависимости максимального тока обратного восстановления диодов SiC D1, SiC D2 и SiC D3 от скорости спада тока di_F/dt.

Рис. 5. Зависимость максимального тока обратного восстановления IRM в оппозитных диодах от скорости коммутации diF/dt

Из графиков на рис. 5 следует, что у всех диодов с ростом di_F/dt растет I_RM. У диода SiC D3 самые высокие значения токов обратного восстановления, а также сильная зависимость I_RM от di_F/dt. У диодов SiC D1 и SiC D2 токи I_RM меньше, чем у SiC D3, в 2 раза (при 1500 А/мкс) и наблюдается плавное увеличение I_RM во всем диапазоне скоростей коммутации. Самые низкие значения I_RM во всем иссле дуемом диапазоне di_F/dt у оппозитного диода SiC D1.

На рис. 6 представлены зависимости времени переключения оппозитных диодов t_c от скорости коммутации di_F/dt.

Рис. 6. Зависимость времени переключения оппозитных диодов tc от скорости коммутации diF/dt

Прежде всего, следует отметить, что у SiC D1 и SiC D2 время переключения t_c практически не зависит от di_F/dt. У SiC D3 t_c заметно уменьшается с ростом di_F/dt. Самые низкие времена переключения t_c = 19 нс – у диодов SiC D2, самые высокие t_c = 55 нс – у диодов SiC D3.

На рис. 7 приведены зависимости емкостного заряда Q_c диодов SiC D1, SiC D2 и SiC D3 от скорости изменения тока di_F/dt.

Рис. 7. Зависимость емкостного заряда Qc от скорости коммутации diF/dt

У диода SiC D3 наблюдается сильная зависимость Q_rr от di_F/dt. Следует отметить, что у диодов SiC D1 и SiC D2 емкостной заряд Q_c с ростом di_F/dt увеличивается незначительно, т. е. практически не зависит от скорости изменения тока диодов. У диода SiC D3 величина Q_rr при di_F/dt = 1250 А/мкс почти в 4 раза больше, чем у диодов SiC D1 и SiC D2. Разница в значениях Q_c у диодов SiC D1 и SiC D2 незначительная. Но все же более низкое значение Q_c от di_F/dt дает диоду SiC D2 преимущества перед диодами других типов при работе прибора на высоких скоростях коммутации, что обеспечивает IGBT более низкие динамические потери на повышенных частотах.

Чтобы объективно сравнить статические и динамические параметры карбидокремниевых диодов SiC D1, SiC D2 и SiC D3, а также выбрать наиболее подходящий из них для применения в качестве оппозитного диода в гибридных IGBT-модулях, был выполнен формализованный расчет баллов на основе полученных результатов для каждого из измеренных параметров. Лучший диод по каждому из параметров был обозначен «+++», средний – «++», а худший – «+». Итоговая оценка результатов измерений по трехбалльной шкале представлена в таблице 2.

Приведенная в таблице 2 оценка результатов исследований трех типов карбидокремниевых диодов Шоттки показала, что лучшим по суммарному показателю «статика + динамика» является диод SiC D1. Ему немного уступает (из-за статики) диод SiC D2. По динамическим параметрам диоды SiC D1 и SiC D2 равны. Диод SiC D3– аутсайдер по всем динамическим параметрам, однако лидер по статике.

Осцилляции при высоких скоростях переключения

Важным моментом при эксплуатации IGBT-модулей является исключение высокочастотных осцилляций при коммутации. Осцилляции в IGBT-модулях [3] связаны как со свойствами структур FRD и IGBT, так и с паразитной индуктивностью схемы применения и самого IGBT-модуля. Осцилляций можно избежать, если применять FRD с мягким обратным восстановлением. Возможны и другие контрмеры против осцилляций при восстановлении FRD, например путем уменьшения паразитной индуктивности и максимальной симметрии расположения кристаллов FRD и IGBT в модуле. В гибридных IGBT-модулях вопрос симметричного расположения кристаллов SiC-диодов встает еще более актуально. Это связано с тем, что в настоящее время на рынке имеются коммерческие SiC-диоды Шоттки только на ток до 50 А, и потому в гибридных IGBT-модулях с номинальным током в несколько сотен ампер необходимо соединять параллельно достаточно большое количество чипов диодов. Чем больше чипов соединено параллельно, тем сложнее добиться равномерного распределения тока, в первую очередь в динамике. Поэтому применение оппозитных SiC-диодов в гибридных модулях является в настоящее время целесообразным в диапазонах малой и средней мощности для номинальных токов до 500-600 А.

Осцилляции в гибридных модулях появляются не только из-за несимметрии конструкции модуля. Диоды Шоттки не имеют заряда обратного восстановления, который приводит к эффекту «схлопывания» и колебаниям тока в традиционных диодах с p-n-переходом. Но они имеют внутреннюю емкость, которая образует колебательные контуры с паразитными индуктивностями силовых выводов. Быстрая коммутация и приводит к высокочастотным колебаниям в этих контурах.

На рис. 8 представлены осциллограммы тока i_R(t) (голубой цвет) и напряжения v_R(t) (красный цвет) при обратном восстановлении оппозитных SiC-диодов, когда значения сопротивления резистора в цепи затвора IGBT одинаковы.

Рис. 8.
Обратное восстановление оппозитных диодов SiC D1 (а), SiC D2 (б), SiC D3 (в).
Режим испытаний: VCC = 600 В, IF = 50 А, RG = 3 Ом, Tj = 125 °C

У всех SiC-диодов наблюдается небольшая осцилляция после завершения процесса обратного восстановления. У диода SIC D3 амплитуда колебаний значительно больше, чем у SIC D1 и SIC D2, что также подтверждает необходимость снижения скорости включения IGBT при совместной работе с SIC D3.

Следует отметить, что величина входного резистора снижена более чем в 5 раз по сравнению с той, что у аналогичного IGBT-модуля, в котором применен диод с p-n-переходом. Тем самым подтверждена возможность эксплуатации гибридных IGBT-модулей с малым R_G, что дополнительно снижает коммутационные потери.

Заключение

Из трех исследованных карбидокремниевых диодов Шоттки, изготовленных различными производителями, диоды SiC Dl и SiC D2 наиболее подходят для работы в качестве оппозитных диодов в гибридных IGBT-модулях. Они имеют низкие статические потери и отличные динамические характеристики: низкие значения I_RM, Q_c, t_c и минимальные осцилляции при высоких скоростях спада тока (di_F/dt ≥ 2000 А/мкс), что дает возможность эффективно их применять в ключевых схемах не только с частотными IGBT, но и с силовыми MOSFET-транзисторами на частотах коммутации до 100 кГц.

Диоды SiC D3 имеют худшие динамические характеристики, но лучше по статике: низкое значение импульсного прямого напряжения V_F и тока утечки I_R, более высокое обратное напряжение V_R. Поэтому их применение может быть обоснованным в более высоковольтных модулях, но на более низких частотах и скоростях коммутации IGBT, а также в частотных диодных модулях.