Широкий диапазон рабочих температур модулей высоковольтных биполярных транзисторов с изолированным затвором и высокой развязкой

№ 5’2013
PDF версия
Компания Mitsubishi Electric представила новую разработку — ВВ IGBT (высоковольтные биполярные транзисторы с изолированным затвором, HV-IGBT), объединенные в серию R. Это модули с высокой развязкой корпуса, которые могут использоваться в диапазоне температур –50…+150 °C. Их применение позволяет увеличить выходную мощность инвертора при сохранении прежнего размера оборудования.

В новом чипсете разработчикам удалось добиться устойчивого режима работы и большой надежности в широком диапазоне температур. Кроме того, новая конструкция корпуса оптимально подходит для высокой развязки. Новые ВВ IGBT серии R увеличивают выходную мощность инвертора при сохранении прежнего размера оборудования.

Высоковольтные модули IGBT широко используются в системах высокой мощности, например в железнодорожных и крупных промышленных приводах. В этих сферах требуется применение модулей с высоким уровнем надежности. К тому же в последнее время возникла необходимость работы устройств в холодных широтах; кроме того, для увеличения выходной мощности инвертора существует необходимость в расширении рабочего диапазона в сторону высоких температур.

Для расширения диапазона рабочих температур потребовалось решить несколько задач. Во-первых, чипсет с большой областью безопасной работы при Tj = +150 °C был получен без термической деструкции. Также сообщалось о том, что у новой планарной структуры IGBT на 3,3 кВ имеется большая область надежной работы при Tj = +150 °C [1, 2]. Второй задачей стала оптимизация конструкции корпуса. Вопрос размещения клемм питания и кристаллов решался на основании анализа процедуры распределения тока для удовлетворения требований зоны надежной работы без короткого замыкания при подобных температурах. Высокого уровня устойчивости такой зоны при Tj = +150 °C можно добиться в результате оптимизации распределения тока. Третья задача — работа при Tj = –50 °С. Стабильность работы обеспечивается оптимизацией процесса контроля на протяжении всего срока службы. Последней задачей является использование силиконового геля в широком диапазоне рабочих температур.

 

Чипсет серии R

Новый модуль ВВ IGBT (рис. 1) позволяет добиться более высокого номинального тока при более широкой области безопасной работы. Сочетание трех технологий позволяет достичь низких потерь в открытом состоянии: обогащенный носителями слой N, более тонкий слой дрейфа N и структура LPT (Light Punch Through, «легкое смыкание»), как показано на рис. 1.

Структура IGBT серии R

Рис. 1. Структура IGBT серии R

Благодаря уменьшению потерь в открытом состоянии можно добиться увеличения номинального тока на 25–33% (рис. 2).

Выходные характеристики (класс 3,3 кВ)

Рис. 2. Выходные характеристики (класс 3,3 кВ)

Структура LPT с повышенным контролем на всем протяжении срока службы позволяет получить малый ток утечки и положительный температурный коэффициент кривой напряжения в открытом состоянии. Поэтому такая структура обладает высокой температурной стабильностью и устойчиво работает при достижении значения Tj = +150 °C. Характеристики положительного температурного коэффициента напряжения в открытом состоянии имеют большое преимущество при параллельном режиме работы. Структура LPT позволяет безопасно избегать явления накопления заряда при Tj = –50 °C и обеспечивает стабильность эксплуатации при Tj = –50 °C (как показано на рис. 3). На рис. 4 приведены характеристики тока утечки кристаллов IGBT в зависимости от температуры (класс 3,3 В и 6,5 кВ).

Выходные характеристики при Tj = –55…+150 °C (класс 3,3 кВ)

Рис. 3. Выходные характеристики при Tj = –55…+150 °C (класс 3,3 кВ)

Характеристики токов утечки кристаллов IGBT в зависимости от температуры (класс 3,3 кВ и 6,5 кВ)

Рис. 4. Характеристики токов утечки кристаллов IGBT в зависимости от температуры (класс 3,3 кВ и 6,5 кВ)

Благодаря новому диоду (рис. 5) можно добиться снижения обратного тока восстановления. Оно достигается в результате использования трех технологий: легкого анода за счет низкой концентрации слоя P, более тонкого слоя дрейфа N и структуры LPT, показанных на рис. 5. Преимущество сниженного обратного тока восстановления заключается в низкой пиковой мощности во время обратного восстановления и низкой энергии включения IGBT. На рис. 6 видно, что обратный ток восстановления значительно снижен. Благодаря структуре LPT с оптимизированным контролем в течение всего срока службы достигается положительный температурный коэффициент характеристики напряжения в открытом состоянии и низкий уровень утечки тока, а также возможность работы при +150 °C, что достигается благодаря компонентам, специально разработанным для новой конструкции, особенно силиконовому гелю, позволяющему поддерживать напряжение высокой развязки равным 10,2 кВ ср.кв. в течение 1 мин., несмотря на повышенную рабочую температуру. Для эффективного использования улучшенных характеристик кристалла корпус ВВ IGBT серии R разработан так, чтобы оптимизировать внутреннее распределение тока между параллельными кристаллами, особенно за счет их новой топологии, трассировки затвора и структуры электродов. На рис. 7 изображен новый корпус серии R, клеммы и установочное положение которого совместимы с имеющимися модулями.

Структура диода серии R

Рис. 5. Структура диода серии R

Сигнал обратного восстановления серии R, диод на 3,3 кВ

Рис. 6. Сигнал обратного восстановления серии R, диод на 3,3 кВ:
а) обычный кристалл;
б) новый кристалл (Vсс = 1800 В, If = 67 A, di/dt = 290 A/мкс)

Корпус серии R (габариты 190×140×48 мм)

Рис. 7. Корпус серии R (габариты 190×140×48 мм)

 

Оптимизированное распределение тока

Электромагнитное влияние на цепь затвора увеличивается в результате высокого тока при коротком замыкании. Поэтому очень важно оценить влияние взаимной индуктивности, а также конструкции модуля для поддержания сбалансированного распределения тока.

Результат расчета распределения тока в новом корпусе с высокой развязкой в условиях короткого замыкания показал, что электромагнитное влияние на цепь затвора не оказывается, благодаря чему достигается оптимальное распределение тока. Сигнал корпуса с высокой развязкой с IGBT на 3,3 кВ, измеренный в условиях короткого замыкания (Vcc = 2800 В, T = 150 °C, Vge = 16,5 В), показан на рис. 8. Подтверждено, что новый модуль может отключаться в таких жестких условиях без разрушения.

Результаты измерений на новом корпусе с высокой развязкой IGBT на 3,3 кВ в условиях короткого замыкания (Vcc = 2800 В, Tj = 150°C, Vge = 16,5 В, Ls = 80 нГ)

Рис. 8. Результаты измерений на новом корпусе с высокой развязкой IGBT на 3,3 кВ в условиях короткого замыкания (Vcc = 2800 В, Tj = 150°C, Vge = 16,5 В, Ls = 80 нГ)

 

Силиконовый гель

Силиконовый гель — один из ключевых компонентов изолированных модулей. Характеристики нового материала меньше зависят от температуры, чем в случае с обычным силиконовым гелем. Поэтому у нового геля более высокие характеристики, даже в более широком диапазоне температур. Новый материал обладает хорошими адгезионными свойствами, что позволяет добиться стабильности изоляции при 10,2 кВ ср.кв. в течение одной минуты и при характеристиках частичного разряда, соответствующих стандарту IEC 61287-1.

Новый ВВ IGBT серии R был одобрен для испытания на долговечность при температуре хранения –50…+150 °C. Кроме того, несмотря на увеличение рабочей температуры, срок службы нового модуля такой же, как и у обычного, — при условии одинаковых параметров термоциклирования.

 

Характеристики ВВ IGBT

Характеристики трех различных классов напряжения приведены в таблице. На рис. 9 и 10 показаны выходные характеристики модулей на 4,5 кВ/1,2 кА. Видно, что при номинальном токе наблюдается снижение как напряжения насыщения «коллектор–эмиттер», так и прямого напряжения диода. Был получен положительный температурный коэффициент.

Выходные характеристики нового IGBT на 4,5 кВ (IC(ном) = 1200 A)

Рис. 9. Выходные характеристики нового IGBT на 4,5 кВ (IC(ном) = 1200 A)

Выходная характеристика нового 4,5 кВ диода

Рис. 10. Выходная характеристика нового 4,5 кВ диода

Таблица. Сравнение характеристик ВВ IGBT серии R с высокой развязкой, измеренных при Tj = +125 °C и IC(ном.)

Характеристика

Модуль на 3,3 кВ

Модуль на 4,5 кВ

Модуль на 6,5 кВ

Ic(ном.), А

1500

1200

750

Тj(раб.), °С

–50…+150

–50…+125

–50…+125

Vce(нас.), В

3,10

4,40

4,90

Vce(Vf), В

2,30

2,80

3,40

Сигнал во время отключения модуля на 4,5 кВ в номинальных условиях при T = +125 °C показан на рис. 11. Отключение происходит плавно, без колебаний. С Rg(откл.) = 10 Ом была достигнута существенно более низкая энергия переключения Eоткл. = 4,30 Дж/имп.

Импульс отключения IGBT на 4,5 кВ в штатном режиме при Tj = +125°C

Рис. 11. Импульс отключения IGBT на 4,5 кВ в штатном режиме при Tj = +125°C

На рис. 12 показан сигнал при включении модуля на 4,5 кВ в номинальных условиях. Новый модуль может увеличивать di/dt для снижения энергии включения на меньшее значение Rg включ по сравнению со стандартными модулями. Такое значительное улучшение было достигнуто благодаря установке новых кристаллов диода. Энергия включения составила Eвключ. = 5,50 Дж/имп. с Rg включ. = 2,7 Ом без емкостного сопротивления между затвором и эмиттером.

Сигнал включения IGBT на 4,5 кВ в номинальных условиях при Tj = +125 °C

Рис. 12. Сигнал включения IGBT на 4,5 кВ в номинальных условиях при Tj = +125 °C

Форма сигнала в течение обратного восстановления диода показана на рис. 13. Как видно, она очень плавная, а ток обратного восстановления низкий, что в результате приводит к низкой пиковой мощности обратного восстановления Pобр. восс. Энергия обратного восстановления Eобр. восс = 250 Дж/имп. с di/dt = 3,6 кА/мкс.

Сигнал обратного восстановления IGBT на 4,5 кВ в номинальных условиях при Tj = +125 °C

Рис. 13. Сигнал обратного восстановления IGBT на 4,5 кВ в номинальных условиях при Tj = +125 °C

Очень важно иметь широкую область надежной работы для модулей ВВ IGBT. На рис. 14 показан сигнал отключения IGBT на 4,5 кВ в условиях экстратока при Vcc = 3500 В и Tj = +125 °C. Ток, в три раза превышающий номинальный (Ic = 3600 A), успешно отключался (рис. 15). На рис. 16 изображен типичный сигнал короткого замыкания IGBT на 4,5 кВ при Vcc = 3500 В, Tj = +125 °C и длительности импульса 10 мкс.

Сигнал отключения в условиях 3×Iс (ном.) при +125 °C

Рис. 14. Сигнал отключения в условиях 3×IC (ном.) при +125 °C

Область безопасной работы при обратном смещении и кривая V-I из рис. 15

Рис. 15. Область безопасной работы при обратном смещении и кривая V-I из рис. 15

Сигнал короткого замыкания при +125 °С

Рис. 16. Сигнал короткого замыкания при +125 °С

Целью конструирования диода серии R было получение широкой области надежной работы при обратном восстановлении. На рис. 17 и 18 показан сигнал обратного восстановления диода на 4,5 кВ при Vcc =3500 В, Tj = +125 °C, If = 2400 A и di/dt ≥ 6 кА/мкс. Результирующее значение Pобр. восс. достигает 9 МВт без разрушения. Такое значение в три раза превышает предел для области надежной работы при обратном восстановлении и свидетельствует о высокой устойчивости конструкции диода.

Сигнал обратного восстановления при Pr = 9 МВт и +125 °C

Рис. 17. Сигнал обратного восстановления при Pr = 9 МВт и +125 °C

Область безопасной работы при обратном восстановлении и кривая V-I из рис. 18

Рис. 18. Область безопасной работы при обратном восстановлении и кривая V-I из рис. 18

В целом, высоковольтные диоды характеризуются тенденцией к колебаниям в процессе обратного восстановления при низкой температуре, низком токе и высоком напряжении связи постоянного тока. Как показано на рис. 19, у нового диода на 4,5 кВ отсутствуют колебания в критических условиях: Tj = –40 °C, Vcc = 3200 В, Ic = 300 A (1/4 номинального тока). Достигнута стабильность обратного восстановления во всем диапазоне температур.

Сигнал обратного восстановления при 1/4 номинального тока и Tj = -40 °C

Рис. 19. Сигнал обратного восстановления при 1/4 номинального тока и Tj = –40 °C

 

Заключение

Компания Mitsubishi разработала новый модуль ВВ IGBT серии R с высокой развязкой. Подтверждено, что он может надежно работать в широком диапазоне температур. У модуля отличные показатели устойчивости области надежной работы, применительно как к IGBT, так и к диоду, без ухудшения рабочих характеристик. Высокий уровень последних был достигнут благодаря оптимизированному сочетанию конструкций кристалла и корпуса. Новый ВВ IGBT серии R с высокой развязкой полностью соответствует повышенным требованиям, таким как увеличивающийся номинал тока и работа в условиях холодных широт.

Литература
  1. Nakamura et al. The Next Generation of HV-IGBTs with Low Loss and High SOA Capability. ISPSD. 2008.
  2. Iura et al. Development of New Generation 3.3kV IGBT module. PCIM. 2006.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.

hentao pornnporn.com telugu chatting west indies open sex youpornhindi.com first night xxnx maja mallika tamil dirty story xxxfiretube.com teen xxnx xxxxu indianpornsearch.com pooja kumar sex 喉奥性感イラマ痴女 浜崎真緒 javsextube.com 君嶋真由 i love porn sexxxymovs.com mallusexvideos tomcat doujinshi bluhentai.com tiny boobs giant tits history sequel black dog hentai mobhentai.com hentai onee chan jammu blue film indiananalfuck.com indian incest xvideos mugen fc2 javwhores.mobi 巨乳 あげ افلام نيك مترجم cyberpornvideos.com طيذ momteachessex indianxxxonline.com house wife x videos 君嶋真由 freejavonline.mobi クローゼット 寝取られ sexx tamil indianfuckass.com bengali milf mia khalifa hard fuck pelisporno.org newsexstory