Гибридные IGBT-модули ПАО «Электровыпрямитель»

Введение

Уже более 10 лет гибридные IGBT-модули производятся в России. Данные изделия зарекомендовали себя как оптимальное решение с точки зрения соотношения цены и параметров и для ряда применений успешно заменяют Full SiC MOSFET-модули, которые до настоящего времени имеют высокую стоимость. Первоначально гибридные IGBT-модули изготавливались с использованием планарных Fast NPT (Non-Punch Through) IGBT, и оптимизация их системы параметров во многом зависела от применяемых диодов Шоттки [1]. Постепенно, по мере развития технологии Trench Gate, на рынке появились чипы IGBT Fast Trench, которые имеют меньшие потери как во включенном состоянии, так и при переключении, что позволило дополнительно снизить потери мощности в гибридных модулях. При этом не стоит забывать об обратной стороне медали и учитывать повышенный заряд затвора у IGBT Trench Gate в сравнении с NPT при одинаковом номинальном токе. Поскольку гибридные модули предназначены для эксплуатации при повышенных частотах коммутации, переход на модули с увеличенным зарядом затвора требует повышения мощности драйвера, что не всегда реализуемо без существенных доработок.

С появлением и бурным развитием Trench Gate IGBT планарная технология, тем не менее, не потеряла актуальности и продолжает свое развитие у ряда производителей чипов в виде технологии SPT (Soft Punch Through). Структура SPT отличается от NPT наличием дополнительного буферного n⁺-слоя между высокоомной n^–-областью и p⁺-слоем коллектора, а также меньшей толщиной n^–-слоя. Именно буферный слой и позволяет уменьшить толщину чипа без снижения напряжения пробоя структуры, что, в свою очередь, существенно сокращает статические потери.

Результаты разработки

В статье представлены результаты исследований трех вариантов гибридных IGBT-модулей производства ПАО «Электровыпрямитель», изготовленных с применением чипов IGBT Fast NPT, Fast Trench и SPT. Исследования проводились для модулей на напряжение 1200 В как наиболее востребованных на российском рынке. Модули с номинальным током 300 А собраны по схеме полумоста в стандартном корпусе 62×106 мм.

Статические параметры

Результаты измерений статических параметров представлены в таблице 1 только для IGBT, так как диоды обратного тока во всех модулях одинаковые.

По результатам тестирования можно сделать следующие выводы для модулей с SPT IGBT:

1. Напряжение пробоя несколько ниже, чем у остальных IGBT, однако укладывается в норму и имеет меньший разброс значений между модулями.
2. Ток утечки в горячем состоянии (T_j = +125 °C) меньше.
3. Напряжение насыщения ниже на 13%, чем у Fast Trench, и на 45% — чем у Fast NPT.
4. Пороговое напряжение выше на 0,5–0,9 В, что увеличивает помехоустойчивость SPT IGBT.

Динамические параметры

Результаты измерения динамических параметров представлены в таблице 2 при следующих условиях:

• V_CC = 600 В;
• I_C = 300 А;
• R_G =3,9 Ом;
• L_S = 180 нГн;
• T_j = +125 °C.

Для ограничения коммутационных перенапряжений в цепи коллектор-эмиттер, возникающих при выключении IGBT, измерения проведены с активным ограничителем на напряжение V_CE = 950 В.

Рис. 1. Осциллограммы включения IGBT:
а) М2ТКИ-300–12ЧШ (Fast NPT);
б) М2ТКИ-300–12КЧШ (Fast Trench);
в) М2ТКИ-300–12СШ (SPT)

На рис. 1 и 2 представлены коммутационные осциллограммы для всех вышеперечисленных модулей.

Рис. 2. Осциллограммы выключения IGBT:
а) М2ТКИ-300–12ЧШ (Fast NPT);
б) М2ТКИ-300–12КЧШ (Fast Trench);
в) М2ТКИ-300–12СШ (SPT)

По результатам измерения динамических параметров можно сделать следующие выводы. Отличия во временах задержки включения и выключения не влияют на частотные характеристики модулей и коммутационные потери, определяющими являются времена нарастания и спада. SPT IGBT оказались более быстрыми при включении, что привело к снижению потерь на 35–38%. Одновременно у SPT IGBT обнаружена практически одинаковая с Fast NPT и увеличенная на 20% в сравнении с Fast Trench энергия потерь при выключении. Если учесть меньшие потери при включении и меньшее напряжение насыщения, то суммарные потери практически одинаковы с Fast Trench. Выявленный при выключении остаточный ток коллектора (рис. 2в) имеет малую длительность (0,2 мкс), что находится в пределах типичных значений «мертвого» времени. Колебания напряжения коллектор-эмиттер при выключении всех IGBT связаны только с особенностями измерительного оборудования (с работой схемы активного ограничения перенапряжения), которые в реальной схеме преобразователя с низкими паразитными индуктивностями и соответствующими снабберами минимальны либо вообще отсутствуют.

Заключение

В условиях множественных ограничений, касающихся приобретения комплектующих ведущих производителей чипов IGBT, требуется поиск альтернативных решений для удовлетворения запросов потребителей, которые уже применяют гибридные модули. Новые решения должны быть таковы, чтобы минимизировать адаптацию уже разработанных преобразователей под параметры новых модулей. По результатам проведенного тестирования можно сделать вывод, что гибридные модули с применением SiC-диодов Шоттки и IGBT, изготовленных по технологии SPT, могут в большинстве применений успешно заменить аналогичные модули с использованием чипов IGBT Fast NPT и Fast Trench.