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

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 T_j = +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 T_j = +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 T_j = +150 °C можно добиться в результате оптимизации распределения тока. Третья задача — работа при T_j = –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.

Рис. 1. Структура IGBT серии R

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

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 T_j = +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 T_j = –50 °C и обеспечивает стабильность эксплуатации при T_j = –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).

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

Рис. 5. Структура диода серии R

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

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 (V_cc = 2800 В, T = 150 °C, V_ge = 16,5 В), показан на рис. 8. Подтверждено, что новый модуль может отключаться в таких жестких условиях без разрушения.

Рис. 8. Результаты измерений на новом корпусе с высокой развязкой IGBT на 3,3 кВ в условиях короткого замыкания (V_cc = 2800 В, T_j = 150°C, V_ge = 16,5 В, L_s = 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.

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

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

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 R_g(откл.) = 10 Ом была достигнута существенно более низкая энергия переключения E_откл. = 4,30 Дж/имп.

Рис. 11. Импульс отключения IGBT на 4,5 кВ в штатном режиме при T_j = +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 R_{g включ} по сравнению со стандартными модулями. Такое значительное улучшение было достигнуто благодаря установке новых кристаллов диода. Энергия включения составила E_включ. = 5,50 Дж/имп. с R_{g включ.} = 2,7 Ом без емкостного сопротивления между затвором и эмиттером.

Рис. 12. Сигнал включения IGBT на 4,5 кВ в номинальных условиях при T_j = +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 P_{обр. восс}. Энергия обратного восстановления E_{обр. восс} = 250 Дж/имп. с di/dt = 3,6 кА/мкс.

Рис. 13. Сигнал обратного восстановления IGBT на 4,5 кВ в номинальных условиях при T_j = +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 V_cc = 3500 В и T_j = +125 °C. Ток, в три раза превышающий номинальный (I_c = 3600 A), успешно отключался (рис. 15). На рис. 16 изображен типичный сигнал короткого замыкания IGBT на 4,5 кВ при V_cc = 3500 В, T_j = +125 °C и длительности импульса 10 мкс.

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

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

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 V_cc =3500 В, T_j = +125 °C, I_f = 2400 A и di/dt ≥ 6 кА/мкс. Результирующее значение P_{обр. 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.

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

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: T_j = –40 °C, V_cc = 3200 В, I_c = 300 A (1/4 номинального тока). Достигнута стабильность обратного восстановления во всем диапазоне температур.

Рис. 19. Сигнал обратного восстановления при 1/4 номинального тока и T_j = –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.