IGBT Gen.7 — революционная эволюция

Эволюция технологии IGBT

Производители чипов стараются не только снизить потери и повысить плотность тока каждого нового поколения кристаллов, но и уменьшить их размеры, чтобы сократить расход кремния и себестоимость. На рис. 2 показано, как исторически шло изменение площади чипов IGBT, сопровождающееся улучшением статических параметров.

Рис. 1. Области применения силовых ключей в зависимости от мощности и частоты коммутации

Рис. 2. Уменьшение размера кристаллов IGBT и напряжения насыщения V_CEsat

При переходе от 2-го к 3-му поколению IGBT усилия производителей были направлены на уменьшение напряжения насыщения V_CEsat. Основной задачей, поставленной при разработке Trench 4 IGBT, было улучшение динамических характеристик и обеспечение более плавного характера переключения. С появлением 4-й генерации модулей IGBT, выполненных по технологии Trench Field Stop, плотность тока повысилась с 85 А/см² (SPT IGBT) и 115 А/см² (Trench 3 IGBT) до 130 А/см². В первую очередь это было достигнуто благодаря оптимизации элементов вертикальной структуры чипа: n-базы, слоя n-Field Stop, предназначенного для повышения напряжения пробоя, и области эмиттера.

Неизбежной платой за уменьшение активной площади чипа стало повышенное тепловое сопротивление и худшая стойкость к режиму короткого замыкания, что компенсируется снижением уровня потерь. Для улучшения перегрузочной способности диапазон рабочих температур необходимо было расширить до +175 °C — такое требование выдвигали производители транспортных приводов. Если учесть, что стандартным значением «теплового запаса» для пиковых перегрузок считается +25 °C, то для кристаллов 4-го поколения номинальной долговременной рабочей температурой является +150 °С. В пересчете на выходную мощность трех-фазного инвертора это означает прибавку не менее 20% по сравнению с модулями, у которых величина T_jmax ограничена на уровне +125 °C. Кроме того, практика применения показала, что для обеспечения долговременной надежности 4-го поколения IGBT следует соблюдать «классические» рекомендации, то есть T_jmax не выше +125 °C в номинальном режиме и +150 °С при кратковременных перегрузках.

Кристаллы Trench 4 совершенствовались, появлялись версии для различных применений, однако эти изменения не вносили существенных улучшений в базовые параметры силовых модулей. Выпуск чипов 7-го поколения обозначил заметный прогресс технологии IGBT. У новых кристаллов затвор имеет полосковую структуру с высокой плотностью ячеек, состоящих из параллельных активных и пассивных канавок (рис. 3). Это позволило увеличить количество носителей вблизи эмиттера и резко повысить проводимость в дрейфовой зоне. В результате прямое напряжение (до 400 мВ для чипов 12-го класса) существенно снизилось по сравнению с преды­дущим поколением IGBT 4. Динамические потери новых кристаллов остались примерно на том же уровне.

Рис. 3. Структура ячейки Trench IGBT 4- и 7-го поколений

Особенности технологии IGBT 7

Благодаря снижению потерь проводимости плотность мощности нового поколения кристаллов удалось повысить до 33% в зависимости от рабочих режимов. Дальнейшее увеличение этого показателя обусловлено тем, что (по заявлению производителей) температура T_j = +175 °C допустима в условиях кратковременной перегрузки без ущерба для надежности. Еще одна важная особенность IGBT 7 — повышенная стойкость к климатическим воздействиям. Модули 7-го поколения проходят тест на надежность HV-H3TRB (ток утечки при высокой температуре, высокой влажности и обратном смещении) по новым, более жестким требованиям, принятым в 2018 году.

Основные преимущества IGBT 7:

• напряжение насыщения V_CEsat снижено в среднем на 20%;
• предельная температура T_jmax = +175 °С является допустимой в реальных условиях кратковременной перегрузки;
• повышена стойкость к климатическим воздействиям (HV-H3TRB, версия стандарта 2018 года);
• плотность мощности в пределах конструктива увеличена на 33%;
• допустимо отключение IGBT нулевым напряжением на затворе (V_{GE_off} = 0) без риска ложных срабатываний.

В таблице 1 представлены основные параметры различных версий кристаллов Trench IGBT 4- и 7-го поколений. Снижение напряжения насыщения позволило уменьшить размер чипов на 25% при неизменном номинальном токе. Повышение плотности мощности неизбежно ведет к ограничению допустимого времени короткого замыкания (t_sc), у IGBT 7-го поколения t_sc = 8 мкс. Этот лимит подтвержден испытаниями последних поколений тонкопленочных кристаллов и обеспечивает достаточный запас по надежности с учетом современных технологий защиты от перегрузок.

Одна из главных задач силовой электроники состоит в поиске компромисса между потерями переключения для высокочастотных применений и потерями проводимости для тех случаев, когда основной задачей становится максимальная отдача мощности. Важным критерием качества и надежности силовых ключей является равномерное распределение токов между параллельными чипами (или модулями) и отсутствие паразитных осцилляций при их коммутации. При разработке технологии IGBT 7 большое внимание также уделялось обеспечению совместимости с существующими модулями 4-го поколения для простоты модернизации выпускаемого оборудования.

Параметры ключей в версии Т7 в первую очередь ориентированы на применение в моторных приводах малой и средней мощности. Эти чипы обеспечивают низкие потери переключения в условиях переходных процессов до 5 кВ/мкс — такая крутизна фронтов является предельной для электрических двигателей. Кристаллы IGBT Т7 будут использованы в компактных модулях SEMITOP и MiniSKiiP, имеющих схему CIB (выпрямитель, инвертор, тормозной чоппер) и AC (трех-фазный инвертор) и номинальный ток в диапазоне 10–200 A. Более мощные чипы IGBT M7, оптимизированные для параллельного соединения, предназначены для установки в стандартных конструктивах SEMiX (17 мм) и SEMITRANS (62 мм), выпускаемых в конфигурациях GB (полумост), GD (трехфазный мост) и MLI (трехуровневый инвертор).

Особенности применения IGBT 7

Динамические характеристики, режим включения

В целом динамические характеристики IGBT 4- и 7-го поколений аналогичны. Они достаточно хорошо контролируются цепью управления затвором, однако параметры режима выключения у IGBT 7 в большей степени зависят от выходного импеданса драйвера.

Ток заряда емкости затвора определяется напряжением питания драйвера V_GG и резистором R_G:

Чем быстрее нарастает сигнал управления V_GE, тем выше скорость изменения тока и напряжения на коллекторе di_C/dt и dv_CE/dt.

Особенностью структуры IGBT 7 является большее соотношение между емкостью «затвор-эмиттер» C_GE и емкостью Миллера C_GC. После того как V_GE превышает пороговый уровень (V_GE(th)), C_GE заряжается только током i_G. Увеличение тока затвора i_G (за счет снижения R_G) здесь необходимо для достижения приемлемого сочетания di_C/dt и потерь включения E_on.

Применение кристаллов IGBT Т7 позволяет получить высокую скорость коммутации и низкие потери включения при условии, что крутые фронты напряжения приемлемы для конкретного применения. Однако на практике всегда приходится искать компромисс между dv_CE/dt и E_on. Процесс включения IGBT T7 показан на рис. 4.

Рис. 4. Включение IGBT 7 при I_C(nom) = 100 A, V_CC = 600 B, T_j = +150 °C, R_G = 1,6 Ом

При сравнении dv_CE/dt важно понимать, при каких условиях производится измерение, поскольку существует несколько способов нормирования этого параметра. Исполь­зование пороговых точек 90 и 10% V_CC дает примерно 2/3 от величины, полученной в точках 80 и 20%. Измерения в зоне около 30% V_CC показывают самые высокие уровни dv_CE/dt. На рис. 5 приведены типовые значения dv_CE/dt при наиболее распространенном методе измерения (10 и 90% V_CC) для кристалла 100A IGBT T7. При низких температурах и малых токах скорость изменения напряжения на коллекторе максимальна. Кристаллы в версии IGBT M7 демонстрируют аналогичное поведение, но при других внешних резисторах затвора, поскольку внутреннее сопротивление R_G(int) и заряд Q_G у них различаются.

Рис. 5. Скорость изменения напряжения на коллекторе dv_CE/dt и потери E_on при различных режимах включения IGBT 7

Динамические характеристики, режим выключения

При нормальных условиях коммутации канал затвора закрывается (V_GE(t)< V_GE(th)) до того, как напряжение на коллекторе V_CE начинает расти, а ток I_C — падать (рис. 6). Большое количество носителей заряда в базовой области полупроводника соответствует повышенной емкости базы (С_n-base). Характер выключения почти не зависит от величины R_G в определенном диапазоне, указанном на графиках в технической спецификации.

Рис. 6. Выключение IGBT при I_C(nom) = 100 A, V_CC = 600 В, T_j = +150 °C и сопротивлении затвора R_G = 1,6 и 10 Ом

При изменении резистора затвора наблюдается только разница во времени задержки выключения по сигналу затвора V_GE (фиолетовая кривая). Тем не менее характер временного отклика тока I_C (синяя кривая) и напряжения V_CE (зеленая кривая) идентичен для R_G = 1,6 и 10 Ом. Следовательно, потери выключения также практически не зависят от R_G. Две кривые слегка сдвинуты — это позволяет увидеть, что эпюры напряжения и тока аналогичны.

При выключении ток коллектора во многом определяет скорость изменения напряжения «коллектор-эмиттер»: чем выше I_C, тем быстрее разряжается емкость C_n-base; при низких токах dv_CE/dt уменьшается. Величина dv_CE/dt максимальна при низких температурах и высоком токе. Как показано на рисунке, dv_CE/dt отличается на 50% (3,4 кВ/мкс при T_j = +150 °C и 5,1 кВ/мкс при +25 °С).

Рис. 7. Выключение IGBT при I_C(nom) = 100 A, V_CC = 600 В, R_G = 1,6 Ом, T_j = +25 и +150 °C

Время задержки растет с увеличением R_G, в течение этого периода исчезают свободные носители заряда. В красной области на рис. 8 уменьшается «хвостовой» ток, растет скорость коммутации di_C/dt и, соответственно, уровень перенапряжения.

Рис. 8. Коммутационное перенапряжение в зависимости от R_G при T_j = +25 и +150 °C

Контролируемое по затвору выключение достижимо при очень больших сопротивлениях затвора (серая область на рис. 8), однако это ведет к росту коммутационных потерь и длительности нахождения в активном режиме. Поэтому рекомендуется использовать малые значения R_G для снижения потерь переключения и уровня перенапряжения.

Зависимость динамических потерь от температуры, напряжения и тока

Для расчета и моделирования потерь E_sw необходимо определить взаимозависимость основных параметров [2]. Зависимость E_sw от тока и сопротивления затвора указывается в технической спецификации, однако связь с напряжением и температурой там отсутствует. С ростом напряжения потери увеличиваются почти линейно: как видно на рис. 9, коэффициент K_V примерно равен 1, что намного меньше, чем у предыдущих поколений IGBT. Величина E_sw при комнатной температуре примерно на 40% ниже, чем при T_j = +150 °C (T_C ~0,003·1/K).

Рис. 9. Зависимость динамических потерь E_sw = E_on + E_off от рабочих режимов

Стойкость к короткому замыканию

Любые силовые электронные ключи, в том числе IGBT, должны выдерживать ток короткого замыкания в течение ограниченного времени. Важным показателем, характеризующим надежность работы модуля в динамических режимах, является максимальное время t_SC, в течение которого он способен без повреждения проводить ток самоограничения, определяемый особенностями технологии IGBT. До появления современных тонкопленочных чипов этот показатель обычно составлял 10 мкс при комнатной температуре.

Рис. 10.
а) Полумягкий,
б) жесткий режим короткого замыкания

Существует несколько разновидностей состояния перегрузки, два из них являются «тестовыми» для оценки надежности силовых ключей. Соответствующие эпюры токов и напряжений показаны на рис. 10:

1. полумягкий режим — IGBT включается на КЗ-нагрузку (отрезок кабеля с нормированной распределенной индуктивностью) при заданных значениях T_j, V_CC, I_CM, R_G;
2. жесткий режим — оба IGBT-полумоста открываются одновременно при заданных значениях T_j, V_CC, I_CM, R_G(off);

где T_j — температура кристалла; V_{CC —} напряжение DC-шины; V_CE — напряжение на DC-терминалах модуля; I_CM — ток отключения; R_G(off) — сопротивление затвора при выключении; P_V — энергия КЗ.

Жесткий КЗ-тест обычно выполняется для проверки динамической надежности модулей, полумягкий режим позволяет оценить распределенные параметры конструкции преобразователя.

Из-за меньшего размера чипов и, соответственно, меньшей теплоемкости максимальная длительность импульса КЗ кристаллов IGBT 7 ниже, чем у предыдущих поколений IGBT. Этот показатель нормируется для V_CC = 800 В и V_GE = 15 В: t_SC = 8 мкс при +150 °C, t_SC = 7 мкс при +175 °C (рис. 11). Время КЗ определяет допустимую величину энергии, которую чип способен рассеять в режиме перегрузки: E_SC = I_SC×V_CC×t_SC.

Рис. 11. Короткое замыкание для чипа IGBT 7 (I_C(nom) = 100 A) при V_CC = 800 В, T_j = +150 °C

При коротком замыкании нагрузки транзистор переходит в линейное состояние, где ток коллектора ограничивается на уровне примерно 4I_Cnom (для IGBT 7) при V_GE = 15 В и T_j = +150 °C (то есть E_SC = 2,56 Дж для чипа 100 A). Границы режима КЗ могут быть в некоторой степени расширены с учетом постоянства энергии E_SC, как показано далее.

Пример 1: напряжение DC-шины составляет 600 вместо 800 В, при этом длительность КЗ:

t_SC(600 В) = t_SC(800 В)×800 В/600 В = 10,6 мкс.

Пример 2: ток КЗ повышается на 25% (5I_C(nom)) при большем напряжении на затворе (V_G=17 В), поэтому длительность перегрузки должна быть уменьшена:

t_SC(17 В) = t_SC(15 В)×(4I_C(nom)/5I_C(nom)) = 6,4 мкс.

Прерывание тока короткого замыкания при номинальном сопротивлении R_G без использования активного ограничения или плавного выключения возможно во многих случаях. Прежде всего, для этого нужна грамотная конструкция DC-шины, обеспечивающая ее низкую распределенную индуктивность. Для подтверждения правильности технических решений силовой инвертор должен проходить проверку отключения тока КЗ. Как правило, такой тест выполняется при максимальном напряжении на DC-шине. Каждый из IGBT включается на короткозамкнутый кабель определенной длины. При срабатывании схемы защиты фиксируется ток отключения и перенапряжение на терминалах питания модуля.

Емкость затвора

Чипы IGBT 7 имеют более высокую входную емкость в сравнении с предыдущими поколениями IGBT, что обусловлено полосковой структурой затвора. Соответственно, больше и заряд Q_G, конкретное значение которого зависит от напряжения включения и выключения (табл. 1). Емкость C_ies имеет две составляющие: C_GE (затвор-эмиттер) и C_GC (коллектор-затвор, емкость Миллера), эквивалентная схема показана на рис. 12.

Рис. 12. Эквивалентная схема распределенных емкостей IGBT

Большее значение C_ies обусловлено только составляющей C_GE, при этом величина C_GC остается малой. Высокое соотношение емкостей C_GE и C_GC делает чипы IGBT 7 более устойчивыми к паразитным включениям. Данный эффект обычно провоцируется переходными процессами, приводящими к заряду затвора через емкость Миллера C_GC [3].

Для исключения ложных срабатываний в мощных модулях используется отрицательное напряжение выключения V_GEoff (от –5 до –15 В) или ставится дополнительный внешний конденсатор в цепи затвора. Чипы IGBT 7 могут надежно контролироваться однополярным сигналом (+15/0 В) [4]. При этом упрощается конструкция драйвера, а рассеиваемая им мощность, несмотря на повышение заряда затвора, остается примерно на таком же уровне [3]. Для расчета мощности потерь драйвера P_GD(out) используется следующее выражение:

Заряд затвора Q_G, зависящий от напряжения управления V_G, определяется с помощью графиков, приводимых в технических специ­фикациях.

Расширение диапазона рабочих температур

Производители чипов IGBT 7 утверждают, что они допускают кратковременное повышение максимальной температуры кристаллов T_j(op)ol до +175 °C в режиме перегрузки без ущерба для надежности. На рис. 13 показано определение допустимого профиля нагрузки и T_j(op). Работа с номинальным продолжительным током ограничена максимальной температурой кристалла T_j(op) = +150 °C. Однако в типовых режимах работы моторных приводов допускается повышение температуры с +150 °C до T_j(op)ol = +175 °С в течение времени t₁ (не более 60 с). При этом длительность перегрузки в пределах рабочего цикла не должна быть более 20% от общего времени.

Рис. 13. Профиль нагрузки и максимальная температура кристалла

Пример: максимальное время перегрузки t₁ составляет 60 с, поэтому минимальная длительность цикла T ≥ 300 с. Если, предположим, T = 25 с, то время перегрузки с повышением температуры с +150 до +175 °C — не более 5 с.

При всех условиях эксплуатации температура кристаллов не должна превышать +175 °C с учетом температурных пульсаций, возникающих на основной частоте выходного сигнала F_out. При работе инвертора, со снижением частоты огибающей F_out увеличивается амплитуда тепловых пульсаций в кристаллах. Данный эффект объясняется на рис. 14 на примере типового двухуровневого преобразователя с воздушным охлаждением. При номинальной нагрузке и F_out = 50 Гц наблюдаются небольшие вариации температуры кристаллов (около 7 К). Перегрузка создается возрастающим током, кроме того, выходная частота уменьшается до 10 Гц, что приводит к увеличению пульсаций dT_j больше чем до 25 K.

Рис. 14. Пример допустимых и недопустимых условий перегрузки

Кривые в левой части рисунка соответствуют типовым условиям перегрузки: температура кристаллов не превышает +175 °C, увеличение T_j свыше +150 °C длится не более 60 с, рабочий цикл меньше 20%. Справа показаны недопустимые условия перегрузки: T_j даже ниже, чем в предыдущем примере, однако она превышает пороговый уровень +150 °C в течение 90 с. Кроме того, длительность рабочего цикла здесь составляет 30%. Подобный принцип определения перегрузочных режимов особенно полезен для приводов с четко определенным профилем нагрузки.

Особенности применения IGBT при повышенной температуре кристаллов

Перегрев кристаллов ведет к повышению температуры радиатора, что может повлечь за собой дополнительные ограничения для применения как силовых модулей, так и других компонентов системы:

• Паяные и сварные соединения в силовых ключах подвержены старению с течением времени. Доминирующим фактором в этом процессе является изменение температуры кристаллов при колебаниях тока нагрузки. Наиболее ярко эффект термоциклирования выражен в транспортных, серво- и лифтовых приводах, а также в преобразователях ветротурбин. Существуют методики и графики, позволяющие рассчитать срок службы на основе заданного профиля нагрузки.
• Дополнительным ограничивающим фактором является максимально допустимая температура корпуса модуля Т_с, указываемая в технических спецификациях. Это особенно критично при длительных перегрузках в системах с воздушным охлаждением, где возможен перегрев радиатора.
• Максимальная температура радиатора под модулем определяет долговременные свойства теплопроводящего материала (TIM). Этот факт необходимо учитывать при выборе термопасты [5].
• Применение силовых модулей с большой плотностью мощности и повышенной предельной температурой кристаллов позволяет увеличить мощность инвертора без изменения габаритов. Однако это создает дополнительные потери и ведет к перегреву соединительных шин, что требует соответствующего пересмотра их конструкции. Если трассировка силовых цепей выполнена на печатной плате (PCB), то необходим тщательный анализ используемых материалов и элементов. Следует выбирать высокотемпературные материалы для производства PCB, увеличивать сечение сильноточных трасс или количество слоев, использовать большее количество переходных отверстий.

Испытания на надежность HV-H3TRB

Одно из преимуществ кристаллов IGBT 7-го поколения — повышенная стойкость к воздействию влаги. Данная характеристика очень важна для компонентов, работающих в жестких климатических условиях. Силовые модули с чипами IGBT 7 успешно прошли тест на надежность HV-H3TRB в соответствии с обновленными в 2018 году стандартами IEC 60068-2-67 и IEC 60749-5. Это стало возможным благодаря улучшению краевой структуры и качества пассивации чипов.

Условия проведения теста HV-H3TRB:

• испытательное напряжение: V_CC = 80%V_CES (960 В для чипов 1200 В);
• температура окружающей среды: Ta = +85 °C;
• относительная влажность: R_H = 85%;
• напряжение на затворе: V_GE = 0 В;
• продолжительность теста: 1000 ч.

Модули IGBT 7 выпускаются по стандарту IEC 60721-3-3 (климатический класс 3K3), допустимая степень загрязнения — 2 в соответствии с IEC 60664-1. Данный стандарт предусматривает отсутствие токопроводящих загрязнений и не допускает конденсацию влаги во время эксплуатации. Подробная информация о влиянии влажности и конденсации на работу силовых электронных систем дана в [6].

Практические рекомендации

Размер кристаллов и токовый диапазон

При разработке технологии IGBT 7-го поколения удалось существенно снизить потери проводимости, что позволило уменьшить размеры чипов примерно на 25%. В общем случае это должно привести к повышению теплового сопротивления и, соответственно, температуры перегрева кристаллов при прочих равных условиях. Однако в чипах IGBT 7 удалось достичь оптимального баланса между размерами и уровнем суммарных потерь E_tot. Модули IGBT 7 имеют больший номинальный ток, чем IGBT 4 в аналогичном корпусе, при этом выходная мощность увеличивается примерно на 20% при сопоставимом уровне потерь и одинаковой эффективности системы охлаждения.

Сопоставление силовых модулей SEMIKRON на базе чипов IGBT 7 с компонентами 4-го поколения не представляет сложности, поскольку для их обозначения используется одинаковый принцип нормирования номинальных параметров. Гораздо большей проблемой является сравнение компонентов одного поколения разных производителей. При анализе параметров следует учитывать частотный класс модуля (Low loss, Fast, Ultrafast и т. д.), метод нормирования теплового сопротивления [9] и множество других факторов.

Абсолютно достоверные выводы можно сделать только на основе сравнительных испытаний компонентов в одинаковых рабочих режимах. Достаточно корректные результаты дает компьютерное тепловое моделирование. Например, программа SEMISEL не только имеет в своей базе все модули SEMIKRON, но и позволяет создавать тепловые модели компонентов других производителей по их техническим спецификациям.

Выбор затворных резисторов

В технических спецификациях IGBT потери переключения указываются в диапазоне внешних резисторов затвора R_Gext при типовых напряжениях управления V_Geon/off = ±15 В. Мощные мультичиповые модули содержат встроенные резисторы R_Gint, необходимые для балансировки токов между параллельными кристаллами. Поскольку IGBT 7 отличаются большей емкостью затвора, номиналы R_Gint уменьшены для обеспечения аналогичного времени заряда при сохранении хорошей стабильности характеристик управления. Это неизбежно ведет к увеличению пиковых токов I_Gpeak, что необходимо учитывать при выборе устройства управления затворами. В некоторых случаях замена IGBT 4 на IGBT 7 может потребовать повышения мощности драйвера, особенно если он управляет несколькими параллельными модулями.

Пиковый ток коллектора

Величина повторяющегося пикового тока коллектора I_CRM мультичипового модуля равна максимальному импульсному току I_C отдельных чипов (он ограничен предельной температурой T_jmax), умноженному на их количество. Значение I_CRM для IGBT 7 превышает номинальный ток коллектора I_C(nom) в два раза. Это абсолютная величина, не зависящая от длительности импульса, ее превышение недопустимо при всех условиях эксплуатации.

При нормальных условиях эксплуатации и корректно рассчитанных тепловых режимах инвертора достижение I_CRM невозможно даже теоретически. Однако следует уделить особое внимание маломощным модулям с чипами IGBT Т7 при работе на большую емкостную нагрузку, например распределенную емкость кабеля [7]. При высоких температурах кристаллы T7 начинают выходить из насыщения при токах, превышающих I_C(nom). Пиковые токи включения, спровоцированные емкостной кабельной нагрузкой, могут приближаться к I_CRM. Результатом будет генерация дополнительных статических и динамических потерь, что может потребовать использования более мощного модуля.

Сравнительные характеристики

Модули малого и среднего диапазона мощности MiniSKiiP

В таблице 2 и на рис. 15 дано сравнение модулей MiniSKiiP 3 с кристаллами T4 и T7 и номинальным током 150 А, сделанное путем вычисления теоретически достижимого максимального значения продолжительного тока инвертора при T_j(op) = +150 °C. Силовой ключ в версии T7 обеспечивает аналогичный выходной ток на частоте переключения f_sw = 4 кГц, но имеет некоторое преимущество по нагрузочным характеристикам на меньших частотах. Прибор 7-го поколения с номинальным током 200 A в таком же корпусе имеет больший ток (10–15%) при такой же температуре кристаллов. Пунктирные кривые показывают увеличение допустимого тока перегрузки для IGBT T7 при T_j(op)max = +175 °C.

Рис. 15. Зависимость максимального тока инвертора на модулях MiniSKiiP 3 от частоты коммутации f_sw

Примечания. Условия измерений: V_DC = 650 В; V_out = 400 В; f_out = 50 Гц; cosj = 0,85; воздушное охлаждение, тепловое сопротивление радиатора R_th(s-a) = 0,1 K/Вт.

Модули высокого диапазона мощности SEMiX 3p

В таблице 3 и на рис. 16 дано сравнение модулей SEMiX 3 Press-Fit с кристаллами Е4 и М7, сделанное путем вычисления теоретически достижимого максимального значения продолжительного тока инвертора при T_j(op) = +150 °C. Силовой ключ с I_C(nom) = 600 А в версии M7 обеспечивает больший выходной ток во всем диапазоне частот. Модуль 7-го поколения с I_C(nom) = 700 A в таком же корпусе имеет на 10% больший ток при прочих равных условиях. Пунктирные кривые показывают увеличение допустимого тока перегрузки для IGBT М7 при T_j(op)max = +175 °C.

Рис. 16. Зависимость максимального тока инвертора на модулях SEMiX 3 Press-Fit от частоты коммутации f_sw

Примечание. Условия измерений: V_DC = 650 В; V_out = 400 В; f_out = 50 Гц; cos j = 0,85; воздушное охлаждение, тепловое сопротивление радиатора R_th(s-a) = 0,25K/Вт.

Антипараллельные диоды

Для того чтобы кристаллы IGBT нового поколения наиболее полно проявили свои преимущества, они должны использоваться с антипараллельными диодами, согласованными по плотности мощности, статическим и динамическим характеристикам. Для решения этой задачи фирмой SEMIKRON была создана специальная версия диодов CAL 4F на основе собственной технологии CAL (Controlled Axial Lifetime), главными отличительными особенностями которой являются плавный характер переключения во всем диапазоне рабочих токов, высокий иммунитет к dI/dt и малый ток обратного восстановления.

При разработке диодов CAL 4F основное внимание уделялось обеспечению плавной кривой обратного восстановления dI_rr/dt и согласованию характеристик восстановления с динамическими свойствами IGBT. Усовершенствование структуры кристаллов позволило на 30% повысить допустимое значение плотности тока, причем потери переключения остались на прежнем уровне. Благодаря использованию нового способа пассивации DLC (Diamond Like Carbon) предельная рабочая температура чипов увеличена до +175 °С, что соответствует температурному диапазону IGBT 7.

Заключение

Разработка технологии IGBT 7 позволила заметно снизить уровень потерь силовых ключей и, соответственно, повысить эффективность работы преобразовательных устройств, что эквивалентно снижению габаритов без ущерба для эффективности и надежности. Возможность работы при более высокой температуре кристаллов обеспечивает дополнительное увеличение плотности мощности в кратковременных режимах. Прежде всего, это нужно для применений с четко определенным профилем перегрузки, в частности транспортных приводов. Для таких систем также очень важна повышенная стойкость нового поколения чипов к воздействию влаги. Характеристики переключения и dv_CE/dt модулей IGBT 7 хорошо контролируются цепью управления затвором. Новые ключи отличаются повышенной стойкостью к перегрузке — во многих случаях ток КЗ может быть отключен через номинальный резистор затвора без использования цепи мягкого отключения (STO, SSD).

При проектировании системы с применением модулей 7-го поколения или при замене ключей предыдущих генераций необходимо учитывать несколько важных факторов. У IGBT 7 выше емкость затвора C_GE, что приводит к росту мощности рассеяния драйвера затвора и его пикового тока. С другой стороны, увеличенное значение этой емкости может быть полезно для некоторых применений, в первую очередь маломощных: за счет более высокого соотношения C_CG и C_GE модули IGBT 7 безопасно выключаются нулевым напряжением (V_GEoff = 0). При использовании униполярного способа управления затвором упрощается схема драйвера и снижается рассеиваемая им мощность.