Новые 3-амперные интеллектуальные силовые модули корпорации Mitsubishi с IGBT с обратной проводимостью

Обычно интеллектуальные силовые модули IPM на ток 3 А производились в корпусе SIP с целью уменьшения занимаемой на плате площади, но этот подход имел несколько недостатков:

1. малая дистанция для токов утечки и малый изоляционный промежуток;
2. малое расстояние между выводами;
3. большое тепловое сопротивление.

Новая серия интеллектуальных модулей на 3 А/600 В разработана с целью устранить эти недостатки, более того, эти модули имеют высокую надежность и производительность. При создании этих модулей были использованы следующие технологии.

1. DIP-IPM структура для решения проблем (a) и (b).
2. Новая структура теплоотвода с использованием нового изоляционного материала и с применением более тонких кристаллов для решения проблемы (b).
3. Переход на более тонкий технологический процесс (1,3 мкм) при производстве HVIC (High Voltage IC) для уменьшения размеров ИС.
4. Кристаллы CSTBT, выполненные на более тонких кремниевых пластинах (для уменьшения потерь).
5. Новая технология встраивания антипараллельного диода в кристалл CSTBT, основанная на оптимизации коллекторной стороны кристалла.

Сравнение нового силового модуля DIP-IPM с обычными SIP-IPM показано в таблице 1. Благодаря тому, что в новых силовых модулях DIP-IPM число кристаллов на 50% меньше, чем в стандартных модулях, надежность их выше. В этих силовых модулях IPM использованы CSTBT-кристаллы, обладающие обратной проводимостью благодаря интеграции в них антипараллельного диода (рис. 1). Эта версия кристаллов получила наименование RC-IGBT (IGBT с обратной проводимостью).

Рис. 1. 3-мерный вид RC-IGBT

Технология RC-IGBT

Обычные кристаллы IGBT с оптимизированным соотношением между V_CE(sat) и потерями на выключение E_off требуют создания двух эпитаксиальных слоев, что делает обработку коллекторной стороны кристалла проблематичной. Таким образом, создание кристаллов IGBT со встроенным антипараллельным диодом было невозможно. Новые RC-IGBT были разработаны при использовании нового, более тонкого технологического процесса, который позволил обрабатывать пластины кремния толщиной менее 100 мкм и сделал возможным создание сложных структур на коллекторной стороне.

RC-IGBT, в отличие от обычных CSTBT, имеющих со стороны коллектора два последовательных слоя — n^– буферный и p⁺ — имеют чередующиеся n и p слои, сформированные на задней стороне кремниевой пластины.

Комбинация оптимизированной концентрации примесей в p-коллекторном и в n-коллекторном слоях, технологии контроля времени жизни носителей и новой технологии чередующихся n и p слоев позволяет создать хорошее соотношение между IGBT V_CE(sat), устойчивостью на выключение IGBT, прямым падением напряжения на антипараллельном диоде(V_F) и потерями при обратном восстановлении диода (Erec).

На рис. 1 показана структура RC-IGBT. Эмиттерная сторона структуры совпадает со структурой обычных кристаллов CSTBT. Толщина кристалла составляет менее 100 мкм. Ширина p и n областей оптимизирована. На рис. 2 показаны p и n области, сформированные на обратной стороне кристалла.

На рис. 3 представлена фотография кристалла на ток 3 А (размер кристалла RC-IGBT — 2,5×3,0 мм). Размер же стандартных IGBT и антипараллельных диодов, применяемых в обычных силовых модулеях SIP-IPM на 3 A, — 2,0×2,1 мм и 1,65×1,85 мм соответственно. Таким образом, RC-IGBT имеет площадь, равную 2/3 суммарной площади обычных IGBT и антипараллельных диодов, применяемых в силовых модулях SIP-IPM.

Рис. 4 показывает, что RC-IGBT работает в двух квадрантах: в первом — как IGBT и в третьем — как диод, так как RC-IGBT может проводить ток в обратном направлении при приложении негативного смещения к коллекторной стороне. Значение V_CE(sat) для RC-IGBT — 1,6 В при токе 3 А и температуре кристалла 125 °С, прямое падение напряжения интегрированного диода V_F — 1,5 В при токе 3 А и температуре кристалла 125 °С.

На рис. 5 показаны осциллограммы выключения при работе на индуктивную нагрузку при 125 °С. Видно что RC-IGBT способен отключить ток в 12 А при напряжении между коллектором и эмиттером 600 В — таким образом, RC-IGBT имеет очень широкую RB-SOA.

Характеристики обратного восстановления антипараллельного диода, встроенного в RC-IGBT, показаны на рис. 6. Технология контроля времени жизни носителей уменьшает ток обратного восстановления до значений 2/3 от номинального тока при V_СС = 300 В, I_F = 3 A, di_F/dt = 100 A/мкс и T_j = 125 °C. В дополнение к этому новый кристалл имеет широкую зону SCSOA (область безопасной работы при коротком замыкании) — более 7 мкс при V_CC = 400 В, T_j = 125 °С и индуктивной нагрузке.

Рис. 5. Выключение при работе на индуктивную нагрузку	Рис. 6. Осциллограмма обратного восстановления антипараллельного диода

Конструкция силовых модулей DIP-IPM

Применение технологии RC-IGBT имеет несколько преимуществ. Во-первых, благодаря уменьшению вдвое числа кристаллов и отсутствию проводников между IGBT и антипараллельным диодом упрощается сборочный процесс, во-вторых, токовая нагрузка может быть больше, чем при применении обычных IGBT с той же площадью кристалла. На рис. 7 показан внешний вид нового 3-амперного силового модуля IPM.

Внутренняя структура новых 3-амперных силовых модулей IPM (как показано на рис. 8) состоит из RC-IGBT, подключенных по схеме 3-фазного инвертора, и управляющей интегральной схемы (ИC). ИС несет в себе минимально необходимый набор функций: управление IGBT, встроенный контроль уровня напряжения питания, зашита от кроткого замыкания, перегрева и пробоя стойки инвертора. Кроме того, она позволяет управлять силовым модулем IPM напрямую, без использования опторазвязки, благодаря применению HVIC, в которой в схемы управления верхними ключами интегрированы схемы сдвига уровня напряжения.

На рис. 9 приведена осциллограмма выключения новых силовых модулей IPM при следующих условиях: V_cc = 300 В, V_D = V_DB = 15 В, T_j = 125 °C и I_c = 3 A.

На рис. 10 показана осциллограмма включения новых силовых модулей IPM при следующих условиях: V_cc = 300 В, V_D = V_DB = 15 В, T_j = 125 °С и I_c = 3 A.

Рис. 9. Осциллограмма выключения силовых модулей DIP-PM при Vcc = 300 В, VD = VDB = 15 В, Tj = 125 °C и Ic = 3 A	Рис. 10. Осциллограмма включения силовых модулей DIP-PM при Vcc = 300 В, VD = VDB = 15 В, Tj = 125 °С и Ic = 3 A

Новый силовой модуль IPM на ток 3 А производится в корпусе DIP. Переход к DIP не усложнил и не удлинил внутренние соединения, и, более того, новый модуль IPM имеет только одну высокоинтегрированную HVIC против трех обычных HVIC в SIP-IPM. Кроме того, в нем применена технология прямого соединения, при которой силовые кристаллы и ИC соединяются напрямую с помощью алюминиевых проводников без использования промежуточных точек на раме модуля. Что касается конструкции корпуса, то применение высокоинтегрированной HVIC и технологии прямого соединения удвоили площадь для размещения силовых кристаллов по сравнению со стандартными модулями, что позволило увеличить токовую нагрузку. А уменьшение точек пайки и уменьшение количества кристаллов повысило надежность.

На рис. 11 показана структура силовых модулей DIP-IPM на ток 3 А.

Тепловое моделирование

Так как в реальной работе в составе инвертора в RC-IGBT происходят потери, как в IGBT (динамические и статические), так и в антипараллельном диоде (потери на восстановление и статические потери), то рассеяние тепла становится важным фактором. Тепловое моделирование производилось с помощью CAE. Потери в RC-IGBT составили 3,22 Вт при следующих условиях: V_cc = 300 В, V_D = 15 В, T_j = 125 °C, f_c = 15 кГц и cos j = 0,8, I_o = 3 A.

На рис. 12 показаны тепловая модель и результаты моделирования нового модуля DIP-IPM. Видно, что максимальная температура — у второго справа кристалла, так как у него худшие условия рассеяния тепла из-за близкого расположения соседних кристаллов. Но при этом его температура составляет всего 111 °С, что много меньше, чем у стандартного модуля (125 °С). Это связанно с тем, что у RC-IGBT плотность потерь имеет значение 0,43 Вт/мм², а у обычных IGBT — 0,68 Вт/мм².

Характеристики нового силового модуля DIP-IPM

Типичные характеристики силового модуля DIP-IPM, выполненного на основе RC-IGBT, показаны в таблице 2.

На рис. 13 показана осциллограмма выходных токов при работе на моторную нагрузку.

На рис. 14 можно увидеть результаты симуляции потерь при трехфазной модуляции при следующих условиях: V_cc = 300 В, V_D = 15 В, T_j = 125 °C, f_c = 15 кГц и cos j =0,8. Потери в RC-IGBT при I_o(peak) = 3 A равны 3,22 Вт.

Как видим, эти потери эквивалентны суммарным потерям обычных IGBT и антипараллельных диодов.

Выводы

Разработанный корпорацией Mitsubishi новый модуль DIP-IPM на базе кристаллов RC-IGBT позволяет снизить стоимость производства и увеличить токовую нагрузку на модуль. Данный DIP-IPM можно использовать в приводах, встраиваемых в бытовую технику, благодаря его компактности, производительности и удобству использования.