Быстродействующие 650-В IGBT-транзисторы для DC/DC-преобразователей на частотах до 200 кГц

Введение

Биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT) применяются в качестве силовых ключей уже более 30 лет. Транзисторы используют, главным образом, в инверторах и устройствах управления электродвигателями, для которых требуются относительно низкочастотные ключи с высокой плотностью тока. В силовых преобразователях наблюдается тенденция к постоянному увеличению частоты переключения, поэтому в случае импульсных источников питания IGBT находят довольно ограниченное применение. Обычно в качестве ключей в высоковольтных импульсных источниках питания предусмотрены силовые MOSFET.

По сравнению с традиционным силовым MOSFET, при применении в высокочастотных и высоковольтных устройствах MOSFET с суперпереходом (SJ MOSFET) имеют меньшие потери на проводимость при том же напряжении пробоя. Однако платить за это приходится усложнением процесса их изготовления с помощью дополнительных масок [1–4]. Создание IGBT с характеристиками, которые позволяли бы применять их в схемах с жесткой коммутацией на частотах свыше 100 кГц, осложняется наличием в таких транзисторах неосновных носителей заряда. В данной статье мы впервые сообщаем о том, что в сверхбыстродействующих IGBT-транзисторах, изготовленных по технологии ультратонких полупроводниковых пластин (ultra-thin wafer technology), удалось снизить потери мощности до уровня потерь в SJ MOSFET, при этом производство новых IGBT гораздо проще, чем SJ MOSFET. Кроме того, они допускают более высокую максимальную температуру перехода T_jmax, равную +175 °C, по сравнению с +150 °C у SJ MOSFET. Характеристики и себестоимость новых IGBT обеспечивают перспективность их использования в DC/DC-преобразователях, работающих на частотах до 200 кГц.

Структура прибора и его изготовление

Высокочастотные 650-В IGBT изготавливаются на тонких 70-мкм пластинах с использованием структуры Punch-Through (PT), как показано на рис. 1. Технология применения ультратонких пластин позволяет формировать слаболегированный коллектор, что снижает накапливаемый заряд, приводя в результате к лучшим характеристикам переключения, особенно при высоких температурах.

Рис. 1. Структура IGBT, изготовленного по технологии тонких пластин Punch-Through

В традиционных Punch-Through IGBT для увеличения скорости переключения предусмотрены различные технологические приемы, позволяющие уменьшить время жизни неосновных носителей заряда — например, облучение электронами или легирование металлом. Одним из побочных эффектов указанных процессов является быстрый рост тока утечки с увеличением температуры, что ограничивает значение T_jmax на уровне +150 °C.

При изготовлении быстродействующих IGBT с использованием технологии тонких пластин уменьшение времени жизни неосновных носителей заряда не применяется. Ток утечки при температуре +175 °C удерживается на низком уровне, что позволяет работать при T_jmax, равной +175 °C. Таким образом, токонесущая способность при применении данной технологии увеличивается, а это в дальнейшем приводит к уменьшению габаритных размеров преобразователей.

При разработке сверхбыстродействующего IGBT для 200-кГц DC/DC-преобразователя выяснилось, что он будет значительно отличаться от стандартного IGBT для управления электроприводом. Транзисторам, применяемым в импульсных источниках питания, не требуется большая область безопасной работы (Safe Operating Area — SOA) при коротком замыкании. Для снижения падения напряжения в открытом состоянии предпочтительны IGBT с более высокой плотностью ячеек, в то же время для достижения высоких скоростей переключения нужна более низкая емкость затвора (Q_g) и минимальное внутреннее сопротивление затвора (R_g). Пороговое напряжение выбрано в стандартном диапазоне 3–5 В. На рис. 2 показана фотография быстродействующего IGBT-транзистора.

Рис. 2. Фотография IGBT, изготовленного по технологии тонких пластин Punch-Through

Результаты и обсуждение

Сравнение MOSFET- и IGBT-транзисторов иногда может вызывать затруднения, так как параметры этих приборов задаются в спецификациях по-разному. Для MOSFET-транзисторов характерно чисто резистивное поведение, поэтому у них падение напряжения в открытом состоянии линейно возрастает с увеличением тока. По сравнению с линейной характеристикой MOSFET в открытом состоянии, IGBT имеет дополнительное пороговое напряжение на p-n-переходе коллектора, при этом напряжение насыщения (V_CEsat) с ростом тока меняется нелинейно.

Рис. 3. Сравнение прямых характеристик COOLiR IGBT и SJ MOSFET:
a) при +25 °C;
б) при +150 °C

На рис. 3 сравниваются зависимости тока от напряжения для быстродействующего IGBT и одного из серийно выпускаемых SJ MOSFET. Площади кристаллов обоих приборов почти идентичны. У SJ MOSFET сопротивление R_DS(On) при комнатной температуре мало, и оно быстро увеличивается по мере роста температуры — на 260% при изменении температуры от +25 до +150 °C. При тех же условиях сопротивление быстродействующего IGBT-транзистора, изготовленного по технологии тонких пластин, возрастает всего на 37%. На рис. 4 приведены обратные характеристики быстродействующего IGBT и SJ MOSFET. Запирающее напряжение (blocking voltage) обоих приборов примерно одинаково и составляет 690 В.

Рис. 4. Сравнение обратных характеристик COOLiR IGBT и SJ MOSFET

С помощью приведенной на рис. 5 испытательной схемы были измерены потери мощности при включении и выключении транзисторов. Энергия включения испытываемых приборов (Device Under Test — DUT) в большой степени зависит от характеристик быстродействующего обратного диода [5]. Поэтому, чтобы гарантировать адекватность сравнения процессов отпирания IGBT и MOSFET, в испытательной схеме был использован внешний диод.

Рис. 5. Испытательная схема для измерений характеристик переключения IGBT и SJ MOSFET

Осциллограммы процессов переключения быстродействующего IGBT и SJ MOSFET при температуре +150 °C показаны на рис. 6 и 7 соответственно. Энергия включения быстродействующего IGBT-транзистора при 10 А составляет 156 мкДж, тогда как у SJ MOSFET она достигает 135 мкДж, что обусловлено, главным образом, временем восстановления внешнего диода. Энергия выключения контролируется самим испытываемым прибором. Для быстродействующего IGBT-транзистора она довольно мала — 87 мкДж, а для SJ MOSFET — 70 мкДж.

Рис. 6. Осциллограммы процессов переключения COOLiR IGBT при Ic = 10 А, Vcc = 400 В и температуре +150 °C

Рис. 7. Осциллограммы процессов переключения SJ MOSFET при I_c = 10 А, V_cc = 400 В и температуре +150 °C

В устройствах с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ), работающих в режиме жесткой коммутации, суммарные потери мощности в каждом силовом транзисторе складываются из потерь на проводимость, потерь при включении (turn-on loss) и потерь при выключении (turn-off loss). Были рассчитаны суммарные потери мощности для быстродействующего IGBT и SJ MOSFET при их использовании в DC/DC-преобразователе, действующем на частоте 200 кГц при коэффициенте заполнения 50%. Результаты приведены в таблице 1. При малом токе (10 А) прямое падение напряжения на открытых быстродействующем IGBT и SJ MOSFET примерно одинаково. Потери на переключение IGBT на 14% выше, чем у SJ MOSFET. Таким образом, суммарные потери у быстродействующего IGBT на 11% больше, чем у SJ MOSFET.

При увеличении тока до 15 А напряжение на открытом быстродействующем IGBT становится намного ниже, чем на SJ MOSFET (согласно рис. 3б — 1,77 и 2,23 В соответственно). Потери на проводимость в IGBT становятся значительно меньше (на 26%), чем в SJ MOSFET, хотя потери на переключение в IGBT оказываются выше на 8%. В результате при токе 15 А суммарные потери мощности в быстродействующем IGBT и в SJ MOSFET приблизительно равны (табл. 2).

При работе в режиме мягкой коммутации, например в устройствах с переключениями при нулевом напряжении (Zero-Voltage-Switching — ZVS), энергия включения пренебрежимо мала, поскольку транзисторы переходят в открытое состояние в те моменты, когда напряжение на компоненте становится равным нулю. В этом случае потери на проводимость и потери при выключении являются основными слагаемыми суммарных потерь для обоих транзисторов. В таблице 3 сравниваются потери мощности для быстродействующего IGBT и SJ MOSFET при их использовании в ZVS-схеме. Общие потери в быстродействующем IGBT на 6% ниже, чем в SJ MOSFET. В преобразователях с большей выходной мощностью у COOLiR IGBT потери на проводимость будут гораздо ниже, чем у SJ MOSFET, а потери при выключении у транзисторов обоих типов — примерно одинаковы. Таким образом, чтобы добиться более высокой эффективности DC/DC-преобразователей, следует использовать транзисторы COOLiR IGBT.

В случае ZVS-преобразователей с напряжением на шине питания 400 В и коэффициентом заполнения 50% потери при включении пренебрежимо малы. Для различных частот переключения был рассчитан максимально допустимый ток для COOLiR IGBT и SJ MOSFET и использовано значение T_jmax, равное +150 °C. Результаты показаны на рис. 8. Максимальный входной ток у COOLiR IGBT и SJ MOSFET примерно одинаков и составляет около 14 А при 200 кГц.

Рис. 8. Сравнение максимального входного тока в ZVS-преобразователях при различных частотах переключения для COOLiR IGBT и SJ MOSFET при +150 °C

Для COOLiR IGBT максимально допустимая температура T_jmax составляет +175 °C, тогда как у SJ MOSFET T_jmax ограничена величиной +150 °C. При +175 °C у COOLiR IGBT падение напряжения в открытом состоянии возрастает на 8%, а энергия выключения увеличивается на 1,4%. На рис. 9 сравниваются зависимости максимального входного тока от частоты переключения для COOLiR IGBT при T_jmax, равной +175 °C, и для SJ MOSFET при T_jmax, равной +150 °C. Максимальный ток транзистора COOLiR IGBT увеличился до 21 А, что на 50% больше, чем у SJ MOSFET.

Рис. 9. Максимальный входной ток на частоте 200 кГц для COOLiR IGBT при T_jmax=+175°C на 50% больше тока для SJ MOSFET (14 А) при T_jmax=+150°C

Вдобавок транзисторы COOLiR IGBT чрезвычайно надежны, поскольку характеризуются большой областью безопасной работы (SOA), абсолютно квадратной областью безопасной работы при обратном смещении RBSOA (Reverse Bias Safe Operating Area) при V_cc = 480 В и I_c = 120 А, а также защитой от короткого замыкания длительностью 10 мкс при V_cc = 400 В и температуре +150 °C.

Простой процесс изготовления, высокая нагрузочная способность по току и большая область безопасной работы позволяют использовать COOLiR IGBT в качестве недорогих и высокоэффективных ключей в высокочастотных DC/DC-преобразователях.

Заключение

Для DC/DC-преобразователей, функционирующих на частотах до 200 кГц, был успешно разработан быстродействующий PT (Punch-Through) IGBT на ультратонкой пластине. Простой процесс изготовления, высокая нагрузочная способность по току и большая область безопасной работы делают COOLiR IGBT конкурентоспособным по стоимости и эффективности, что позволяет использовать его в качестве альтернативы обычно применяемым в высоко­частотных DC/DC-преобразователях транзисторам.

Авторы благодарят Хеннинга Хауенштейна (Henning Hauenstein), а также руководство и инженерный персонал производственного центра Temecula за их поддержку.