GenX3 IGBT компании IXYS

Развитие технологических процессов производства IGBT-транзисторов позволяет постоянно совершенствовать их параметры и снижать стоимость для конечного потребителя. Так, если сравнивать современные Trench Field Stop IGBT с изделиями 2–3-летней давности, то заметен существенный прогресс статических и динамических параметров. Но вместе с тем можно увидеть, что улучшение характеристик IGBT приводит к таким изменениям, как увеличение заряда затвора, снижение максимального напряжения на затворе и сужение области безопасной работы SCSOA. Разумеется, при проектировании все это потребует переработки защитных цепей схемы и создания дополнительных элементов безопасности, учитывающих влияние паразитных индуктивностей и ряда иных параметров.

Таким образом, проектирование высоконадежной техники на современной элементной базе потребует дополнительных затрат и новых элементов защиты, что отразится в итоговой стоимости изделия.

Новые XPT IGBT компании IXYS применяются именно в тех областях, где помимо хороших статических и динамических характеристик необходима и высокая надежность самих коммутирующих элементов. Вот почему именно четкое понимание механизмов, приводящих к выходу из строя IGBT-транзисторов в различных режимах эксплуатации, послужило основой для создания технологии XPT IGBT. Сегодня выпускается несколько семейств XPT IGBT (eXtremely light Punch Through): 600V XPT GenX3, 650V XPT GenX3, 650V XPT Trench GenX4, 900V XPT GenX3 и 1200V XPT GenX3 IGBT.

Поскольку XPT IGBT проектировались с учетом высоких требований к надежности, особенностями 600- и 650-В транзисторов являются:

• максимальная рабочая температура +175 °С и низкое тепловое сопротивление;
• «квадратная» область безопасной работы RBSOA и способность выдерживать большие значения лавинной энергии, в том числе при работе на индуктивную нагрузку;
• способность выдерживать короткое замыкание 10 мкс при температуре 150 °С и 360 В (SCSOA);
• положительный температурный коэффициент прямого падения напряжения dV_cesat и его малый разброс в партии;
• низкий заряд затвора и малая входная емкость при включении и выключении;
• низкое соотношение C_res/C_ies, что означает высокое допустимое напряжение на затворе при высоких рабочих температурах и малом сопротивлении затвора.

Для того чтобы продемонстрировать преимущества XPT IGBT, на примере семейства GenX3 рассмотрим особенности их применения в различных схемах.

Компания IXYS рекомендует разработчикам использовать эти транзисторы при температуре не выше 175 °С, что является максимально допустимой температурой кристалла. Если температура корпуса растет и приводит к повышению температуры кристалла до максимально допустимого уровня в течение длительного времени, это может вызвать необратимые изменения в элементах корпуса транзистора. Смысл максимально допустимой рабочей температуры 175 °С заключается в способности кристалла выдержать короткие импульсы мощности, приводящие к его разогреву до данной температуры, но не постоянный режим его работы. Тем не менее достичь данного максимального значения температуры удалось за счет снижения теплового сопротивления кристалла, возникшего из-за того, что транзисторы XPT IGBT выполнены по «тонкой» технологии с малой толщиной кристалла, что помогает им более эффективно отвести тепло на основание корпуса.

Широкая область безопасной работы RBSOA и способность подавлять выбросы напряжения добавляют надежности в режимах коммутации индуктивной нагрузки, когда при закрывании транзистора наблюдается высокий ток коллектора, а также в мостовых схемах. В данных приложениях транзисторы XPT IGBT способны работать при более высоких значениях di/dt и напряжении на коллекторе. Все это приводит к потенциальной возможности коммутации на более высоких частотах, при более высоких токах и выбросах напряжения или же упрощает проектирование защитных элементов схемы.

Наличие расширенной области безопасной работы при коротком замыкании SCSOA упрощает выбор временных параметров схемы защиты, что часто требуется в схемах управления электродвигателями при остановке ротора или же в преобразователях электроэнергии. Пример (рис. 1) показывает схему включения, когда короткое замыкание в нагрузке приводит к быстрому нарастанию тока коллектора IGBT.

Рис. 1. Режим короткого замыкания IGBT (упрощенная схема)

По прошествии некоторого времени температура транзистора существенно увеличится под воздействием большой рассеиваемой мощности. Поэтому данный транзистор должен обладать возможностью коммутировать большой ток при одновременно высоком напряжении на коллекторе. Ключом к «выживанию» транзистора в таких условиях будет его способность выдержать большой ток на протяжении временного промежутка, необходимого схеме защиты для распознавания аварийной ситуации и выключения транзистора. GenX3 XPT IGBT обеспечивают 10 мкс короткого замыкания, что является достаточно консервативным значением на фоне других технологий, предлагающих лишь 5 мкс. При этом физически данная технология обеспечивает время короткого замыкания 20 мкс, что объясняет, почему IXYS не ограничивает количество циклов КЗ в процессе эксплуатации транзисторов. Максимальный ток ограничения короткого замыкания GenX3 XPT IGBT существенно ниже, чем у транзисторов Trench Field Stop, и мы не ожидаем изменений каких-либо их параметров даже после десятков тысяч циклов КЗ.

В то же время расширенная область безопасной работы FBSOA обеспечивает более высокую надежность в момент включения транзистора, когда особенно критично действие схемы управления и возможны ситуации, приводящие к снижению напряжения на затворе.

Положительный температурный коэффициент dV_cesat/dT и малый разброс этого параметра в партиях позволяет легко включать данные транзисторы в параллель. Применение обратных диодов, выполненных по технологии SONIC, упрощает процесс, поскольку данные диоды обладают положительным температурным коэффициентом dV_f/dT даже при сравнительно малом протекающем токе.

GenX3 IGBT имеют меньший заряд затвора Q_g и входную емкость C_ies по сравнению с Trench Field Stop IGBT (табл. 1). Меньшие значения указанных параметров обеспечивают сокращение времени задержки переключения, что упрощает проектирование драйвера управления в высокочастотных схемах и уменьшает влияние паразитных индуктивностей в цепях управления.

Малая величина емкости Миллера и емкости «затвор-эмиттер» в совокупности с высоким допустимым напряжением управления на затворе и низким собственным сопротивлением затвора обеспечивают транзисторам высокую устойчивость к скорости изменения напряжения dV_ce/dt и позволяют эффективно применять их при наличии помех, а также упрощать защитные цепи и делают их более устойчивыми к паразитному включению внешними воздействиями.

Технология GenX3 IGBT компании IXYS соответствует ведущим мировым стандартам производства IGBT и дополнена собственными разработками в области топологии кристаллов и технологическими процессами. Данное семейство IGBT будет активно развиваться в ближайшее время.

Сегодня транзисторы GenX3 IGBT представлены в ряде модификаций для разных мощностей и скорости переключения (версии B и С), как в стандартных промышленных корпусах, так и в уникальных корпусах IXYS, в конфигурации со встроенным обратным диодом и без него. Вы легко сможете выбрать ключ с нужными параметрами динамических и статических потерь, скорости и характеристики восстановления обратного диода. Новые IGBT GenX3 могут быть определены по маркировке IXX — третья буква «X» указывает на принадлежность компонента к новому семейству. Дискретные транзисторы ориентированы на применение на частотах 5–30 кГц (серия B) и 30–60 кГц (серия C).

Сравнение с Trench Field Stop IGBT

В таблице 1 представлены параметры транзистора IXXH50N60C3D1 компании IXYS и транзистора IKW50N60H3 компании Infineon, сравнение характеристик сделано на основании официальной документации.

В таблице приведены параметры напряжения, тока, прямого падения напряжения, заряда затвора Q_g, области безопасной работы при КЗ и входная емкость транзистора C_ies. Среди прочих транзисторов данные IGBT наиболее близки также по размеру кристалла. Очевидно, что IXXH50N60C3 демонстрирует существенно более низкий заряд затвора, что приводит к меньшим потерям переключения. Возможность повышения скорости переключения транзистора определяется способностью установить нужный уровень напряжения на затворе, обладающем собственной емкостью C_ies = C_ge + C_gc. Таким образом, транзистор XPT IGBT обеспечивает более высокое быстродействие.

Рис. 2. Тестовая схема с индуктивной нагрузкой

На рис. 2 показана упрощенная тестовая схема для испытаний с индуктивной нагрузкой. На рис. 3 представлены осциллограммы переключения. Все тесты проводятся при одинаковых параметрах: V_cc = 400 В, I_d = 50 A, V_gs = 15 В и индуктивность L₁ = 100 мкГн.

Рис. 3. Осциллограммы переключения:
а) IXXH50N60C3;
б) IKW50N60H3

В таблицу 2 сведены результаты данного теста: параметры включения и выключения IGBT при температуре 25 и 125 °С. Так, при температуре 25 °С суммарные потери IXXH50N60C3D1 составили 1,340 мДж, в то время как IKW50N60H3 — 1,415 мДж. При температуре 125 °С суммарные потери IXXH50N60C3D1 оказались равны 1,915 мДж, а IKW50N60H3 — 2,270 мДж. В режиме жесткой коммутации с индуктивной нагрузкой потери на включение превышают потери при закрывании транзистора, даже без учета потерь на закрывание обратного диода, которые возникают в момент включения. При этом причина потерь в момент включения объясняется присутствием MOSFET-структуры. Это означает, что быстрый драйвер управления может существенно снизить потери при включении IGBT. С другой стороны, потери при закрывании IGBT определяются зарядом, накопленным в структуре, что является причиной «затягивания» dI/dt и dV/dt, а также наличием типичного для IGBT «хвоста» тока. Итоговое сравнение транзисторов по совокупности параметров включения и выключения показывает превосходство IXXH50N60C3D1.

Возможные применения

Выбор оптимального IGBT для конкретного приложения может занять достаточно много времени. В реальных приложениях IGBT могут испытывать перегрузки короткого замыкания или закрывания при подключенной индуктивной нагрузке. Область безопасной работы в режиме короткого замыкания SCSOA определяется областью безопасной работы при прямом токе (FBSOA) и областью безопасной работы при обратном токе RBSOA, что характерно для закрывания при индуктивной нагрузке. Способность транзистора выдерживать данные перегрузки и будет определять его надежность в конкретном проекте.

GenX3 IGBT оптимизированы с точки зрения минимизации потерь, увеличения эффективности преобразования и способны уменьшить размер применяемого радиатора и увеличить плотность компоновки готового изделия. Возможные области их применения — источники бесперебойного питания UPS, частотный электропривод, инверторы напряжения DC/AC, сварочное оборудование, альтернативные источники электроэнергии, промышленные системы электрического питания, медицинская техника, DC/DC-преобразователи, корректоры коэффициента мощности и источники питания для осветительных приборов.

Транзисторы GenX3 IGBT предлагаются в двух версиях (B и С), оптимизированных для частот 5–30 кГц (B) и 30–60 кГц (C). Полная документация доступна на сайте www.ixys.com: вы можете ввести в строку поиска первые буквы новой серии «IXX», чтобы получить полный список всех доступных транзисторов.