Новая серия высоковольтных IGBT-модулей с улучшенными параметрами надежности

Введение

В таких областях применения силовой электроники, как, например, железнодорожный транспорт и системы распределения электроэнергии, делается все возможное для того, чтобы минимизировать количество отказов, однако аварийные выходы из строя все же происходят, что, конечно, является серьезной проблемой. Идеальный силовой модуль должен иметь необходимый запас по значениям характеристик, чтобы продолжать функционировать и в случае перехода на режим работы, не являющийся номинальным. Однако заранее предсказать все возможные аварийные режимы просто невозможно, поэтому важно обеспечивать баланс между параметрами надежности модуля и его производительностью. Ниже приведены технические решения, использованные при разработке новой X-серии, которые повышают надежность и, следовательно, увеличивают срок службы модулей.

Концепции повышения надежности

Стойкость к динамическим перегрузкам

Режим перегрузки

При использовании силовых модулей должны быть учтены такие внешние факторы, как паразитная индуктивность шины, сопротивление затвора, флуктуации напряжения в звене постоянного тока (ЗПТ) и внешняя температура. Обычно в спецификации на модули указан максимальный ток, способный отключить транзистор на уровне двукратного номинального тока. Максимальную отключающую способность высоковольтных IGBT в основном определяют параметры чипов. Например, в результате внедрения в структуру чипа частичного слоя с р-проводимостью со стороны коллектора может быть достигнута большая отключающая способность. На рис. 1 показан поперечный разрез кристалла последнего поколения, имеющего данный слой.

Рис. 1. Поперечное сечение чипов в модулях X-серии

Короткое замыкание

Существуют три типа коротких замыканий:

• КЗ – когда транзистор не проводит ток (тип 1);
• КЗ – когда транзистор проводит ток (тип 2);
• КЗ – в процессе протекания тока через обратный диод (тип 3).

При этом имеется два пути увеличения стойкости модулей к коротким замыканиям. Один состоит в изменении структуры IGBT-чипов, а другой заключается в оптимизации конструкции корпуса модуля с целью минимизировать наводки магнитного поля на затвор транзистора во время протекания тока КЗ. Стойкость IGBT-кристаллов к КЗ с сохранением отключающей способности транзистора может быть улучшена изменением МОП-структуры ячеек в области затвора, а также увеличением их плотности (метод подбора допустимого тока насыщения). Для снижения влияния помех на затвор проводят анализ электромагнитного поля внутри кристалла, с учетом которого изменяют его геометрию.

В случае возникновения короткого замыкания третьего типа в процессе обратного восстановления диод также может выйти из строя. Поэтому наряду с транзистором обратный диод должен обладать стойкостью к высоким токам КЗ. Благодаря внедрению в диоды RFC-структуры (Relaxed Field Cathode – катод с ослаблением поля), повышающей стойкость к пиковой мощности, высоковольтные IGBT-модули новой серии обладают высокой стойкостью ко всем трем типам коротких замыканий.

Ограничение скорости включения (di/dt при включении тока)

При обратном восстановлении классического p-i-n-диода в условиях высокого напряжения в звене постоянного тока из-за высокой скорости процесса на транзисторе появляются характерные «всплеск» и колебания напряжения (рис. 2).

Рис. 2. Процесс обратного восстановления диода с характерным перенапряжением на IGBT

Этот эффект можно снизить включением IGBT-транзистора с меньшим значением di/dt. Но уменьшение скорости процесса неизбежно приводит к увеличению динамических потерь в чипе. При использовании RFC-структуры диода удается избежать выброса напряжения и возникновения колебательного процесса, а также сохранить высокое значение di/dt, а значит, не возрастут потери при включении E_ON. Поперечное сечение диода с RFC-структурой показано на рис. 3.

Рис. 3. Поперечный разрез диода с RFC-структурой

Широкий температурный диапазон

Интенсивность отказов полупроводниковых устройств, как правило, возрастает с повышением рабочей температуры прибора. В соответствии с MIL-стандартом (MIL-HDBK-217F), интенсивность отказов (π_T) для Si n-р-n-транзистора при температуре 150 °С в 1,37 раза выше, чем при 125 °C:

Следовательно, для обеспечения высокой рабочей температуры необходимо увеличить запас надежности чипов. Нужно также предотвратить тепловой разгон кристалла, вызываемый возрастанием тока утечки при повышении температуры. Кроме того, характеристики корпуса силового модуля, изоляции и всех материалов также должны быть рассчитаны, чтобы выдерживать более высокую рабочую температуру.

Тепловой разгон

Снижение тока утечки (I_CES) при высоких температурах – наиболее эффективный способ избежать теплового разгона. Ток утечки I_CES полупроводниковых чипов можно снизить применением следующих технических решений:

• оптимизацией буферного n-слоя (рис. 4а);
• оптимизацией времени жизни носителей заряда в зоне дрифта N^—;
• использованием специальной структуры в краевой области чипов (см. рис. 1);
• усилением процесса геттерирования для снижения примесных дефектов в кристалле кремния (рис. 4б).

Рис. 4.
а) Структура транзистора с буферным n-слоем и кривая распределения поля;
б) сравнение токов утечки с геттерированием и без него

Благодаря использованию перечисленных технологий ток утечки I_CES при 150 °С в новой серии модулей удалось сохранить на том же уровне, что и при 125 °C.

Изоляция

Одно из наиболее важных свойств изоляции силовых модулей – характеристика частичных разрядов. Для обеспечения длительного срока службы модулей нужно, чтобы изоляция сохраняла свои первоначальные свойства с течением времени даже в условиях высокой температуры. Для этого применяют специальный высокотемпературный силиконовый гель, а также особый технологический процесс, позволяющий минимизировать частичные разряды, исключая пузырьки воздуха из геля.

Стойкость к жестким условиям внешней среды

Выполнять контроль температуры и влажности воздуха вокруг силовых модулей, применяемых на железнодорожном транспорте, – сложная задача. Поэтому способность прибора выдерживать высокую влажность воздуха при высоком напряжении в течение длительного времени – необходимый критерий его качества.

Влажность и конденсация

Способность кристаллов противостоять высокой влажности можно улучшить путем изменения структуры в краевой области чипа таким образом, чтобы снизилась аккумуляция поверхностных зарядов (Q_SS) на охранном кольце (в случае, когда высокое напряжение подается между эмиттером и коллектором). Количество зарядов Q_SS на охранном кольце – основной параметр, влияющий на запирающую способность чипа. Благодаря применению полуизолированной пассивационной пленки, а также использованию процессов, в меньшей степени аккумулирующих поверхностные заряды Q_ss в краевой области чипов, обеспечивается стабильное значение тока утечки даже в сложных внешних условиях (например, при выпадении росы).

Долговременная стойкость к космической радиации

Долговременная стойкость к космической радиации, заключающаяся в способности противостоять частицам высоких энергий, приходящим из космоса, – важнейшее требование к высоковольтным IGBT-модулям. В приборах компании Mitsubishi Electric она достигается в результате использования LPT-структуры со смыканием (Light Punch Through), а также снижения тока утечки I_CES.

Результаты испытаний

Первым модулем X-серии стал прибор с блокирующим напряжением 6,5 кВ и номинальным током 1000 А. В его конструкции были применены все технические решения, описанные выше. В этом разделе рассмотрена методика тестирования модуля на соответствие требованиям надежности.

Проверка стойкости к динамическим нагрузкам

Область безопасной работы

Проверка на максимальную отключающую способность модуля была проведена путем постепенного увеличения тока коллектора (I_C) при напряжении в ЗПТ (V_CC) 4500 В и максимальной температуре кристаллов (T_j) в 150 °C. При этом были использованы полумостовая топология и индуктивная нагрузка. Как показано на рис. 5, было установлено, что новые высоковольтные IGBT-модули способны отключить более чем четырехкратный ток от номинального, причем с сохранением плавных фронтов тока и напряжения.

Рис. 5.
а) Осциллограмма выключения при VCC = 4500 В, IC = 4000 А, Tj = 150 °C, LS = 150 мкГн;
б) сравнение ВАХ при одинаковых VCC и Tj

Стойкость к коротким замыканиям

Способность модуля выдерживать короткие замыкания обычно указывают в виде максимальной допустимой длительности импульса тока КЗ, т. е. в соответствующей энергии, выделяющейся в кристаллах и определяющейся индуктивностью цепи КЗ. Однако существует множество вариантов видов КЗ, зависящих от контура протекания тока и других параметров. Ниже приведены результаты тестов на короткие замыкания второго типа (когда рабочий ток уже протекает через IGBT) и третьего типа (когда ток идет через обратный диод). Измерения проводили с использованием полумостовой топологии (рис. 6) и соответствующей последовательности импульсов (рис. 7). Модуль IGBT 3 обеспечивает коммутацию цепи и протекание тока КЗ. Для того чтобы ток короткого замыкания через испытуемый модуль не ограничивался током насыщения транзистора IGBT 3, при тестировании была использована одна треть прибора (рис. 6).

Рис. 6. Схема тестирования на КЗ:
а) второго типа;
б) третьего типа;
в) один сегмент модуля (IC = 333 А)

Эксперимент проводили при напряжении 4200 В и температуре кристаллов 150 °C. Если чипы модуля не обладают достаточной стойкостью к КЗ, то происходит выход прибора из строя (рис. 8). В результате тестирования было подтверждено, что модули X-серии обладают высокой выносливостью к режимам коротких замыканий (рис. 9).

Рис. 7. Последовательность включения IGBT

Рис. 8. Пример осциллограммы выхода IGBT из строя из-за КЗ третьего типа

Рис. 9. Осциллограмма КЗ:
а) второго типа при VCC = 4200 В, VGE = 15 В, Tj = 150 °C, tw = 10 мкс, LSC=4,2 мкГн;
б) осциллограмма КЗ третьего типа при VCC = 4200 В, VGE = 15 В, Tj = 150 °C, tw = 10 мкс, LSC = 4,2 мкГн

Обратное восстановление диода

Главная характеристика стойкости диода к перегрузкам – пиковая мощность (P_rr), которую он способен выдержать в процессе обратного восстановления. В случае когда диод с недостаточной пиковой мощностью P_rr находится в условиях высокого напряжения и большой скорости изменения тока (di/di), он может выйти из строя. В процессе измерений было установлено, что новые RFC-диоды, применяемые в модулях X-серии, способны выдержать пиковую мощность P_rr = 13 МВт. Также на рис. 10 видно, что даже при максимальных токе, напряжении и температуре осциллограммы восстановления диода носят плавный характер, без явления осцилляции.

Рис. 10.
а) Осциллограмма обратного восстановления диода при VCC = 4500 В, IF = 2000 А, VGE = 15 В, Tj = 150 °C, LS = 150 нГн (di/dt > 5000 А/мкс, Prr = 13 МВт);
б) сравнение ВАХ при одинаковых VCC, IF и Tj

 

Результаты тестирования в жестких условиях внешней среды

Высокая температура

Для проверки режима теплового разгона кристаллов были проведены измерения тока утечки I_CES в модуле, закрепленном на радиаторе, имеющем температуру 150 °C. Между коллектором и эмиттером модуля подавалось напряжение 1-6,5 кВ с шагом 0,5 кВ. Ток утечки I_CES составил менее 30 мА при 150 °С и 6,5 кВ (рис. 11). Более того, при 125 °С он оказался ниже, чем типичный для других модулей (табл. 2).

Рис. 11. Результат измерения тока утечки

Таблица 2. Значение тока I_CES

Серия	ICES при 125 °C, мА (тип.)	ICES при 150 °C, мА (тип.)
Новая X-серия	5	30

Свойства изоляции модулей новой серии были проверены путем измерения количества частичных разрядов, выполненного после теплового стресса. Количество разрядов было измерено при действующем уровне переменного напряжения 6,9 кВ (рис. 12) после двух типов теплового воздействия (табл. 3). Результаты измерения показали, что разницы между количеством частичных разрядов до и после воздействия не прослеживается. Из этого можно сделать вывод о достаточной электрической прочности изоляции модуля к тепловому влиянию.

Таблица 3. Результаты измерения частичных разрядов

Вид воздействия	Условия	Результаты теста
Хранение при высокой температуре	Ta = 150 °C, 500 ч
Длинные термоциклы	Tc = -40…+125 °C (ΔTc = 165 °C), 200 циклов

Рис. 12. Схема эксперимента по измерению частичных зарядов

Высокая влажность

Способность силовых модулей выдерживать условия высокой влажности может быть проверена проведением теста на конденсацию. В ходе его измеряется ток утечки I_CES до и после конденсации влаги в корпусе при V_CE = 5200 В, V_GE = 0 В и T_a = 25 °C. Новая серия высоковольтных IGBT обладает высокой стойкостью к влажности, так как ток утечки после пятикратного повторения теста не увеличился (рис. 13).

Рис. 13. Результаты теста на конденсацию новых IGBT при VCE = 5200 В, VGE = 0 В и Ta = 25 °C:
а) начальное состояние;
б) после пятикратного повторения теста

 

Заключение

Полупроводниковые модули – важнейшие элементы устройств силовой электроники. Они должны не только обладать стойкостью при экстремальных режимах работы, но и обеспечивать высокую производительность системы. Представленные в статье высоковольтные модули X-серии были разработаны с использованием последних технологий, позволяющих увеличить срок службы приборов, а также обеспечить высокий выходной ток и низкие потери в ключах. В работе приведены результаты проверки основных параметров, определяющих надежность модулей: тестирование стойкости к коротким замыканиям основных типов, измерение количества частичных разрядов после теплового стресса изоляции, а также эксперимент, показывающий ток утечки в модулях в жестких условиях внешней среды.