Модули Mitsubishi Electric на базе 6-го поколения IGBT

Такео Нисияма (Taketo Nishiyama)

Юджи Миязаки (Yuji Miyazaki)

Перевод: Роман Фукалов

IGBT-модули серии NX

Обычно модули IGBT — в зависимости от их мощности и назначения — выпускаются в корпусах различного размера и конфигурации. Более того, они содержат большое число различных компонентов, таких
как корпус, базовая пластина, силовые выходы и т. д.
В серии NX используется другой подход: ключевой
особенностью данных устройств является использование унифицированных частей корпуса при создании
различных типов модулей: ключ, полумост, «7 в 1»,
CIB (выпрямитель, инвертор, тормозной ключ) и т. д.
Конструкция корпуса позволяет создавать различные
варианты внутренней топологии и свободно размешать выходы. Примеры корпусов показаны на рис. 1.

Технология

Развитие кристаллов IGBT

На рис. 2 можно увидеть эволюцию IGBT от по-
коления к поколению. Для оценки производительности используется понятие добротности (Figure
of Merit). Она определяется как плотность тока через
кристалл (J_c), поделенная на произведение напряжения насыщения (V_CE(sat)) и потерь на выключение (E_off)
(значения даны при номинальной нагрузке на кристалл
и температуре кристалла T_j = 125 °C). Видно, что CSTBT
(Carrier Stored Trench Gate Bipolar Transistor) имеет лучшую производительность, чем обычные траншейные
транзисторы, а производительность 6-го поколения
IGBT на 30% больше, чем у CSTBT.

6-е поколение IGBT

На рис. 3 показаны структуры кристалла 6-го
и 5-го поколений IGBT. Обе они используют технологию CSTBT. Первым отличием 6-го поколения
является переход кристальной технологии от NPT
(Non Punch Through) к LPT (Light Punch Through)
и к более тонким кристаллам. Вторым отличием
является оптимизация структуры затвора с целью
улучшения соотношения между V_CE(sat) и E_sw(off).

Ячейки затвора расположены более плотно, оптимизирован дополнительный N+-слой, обеспечивающий блокировку утечки зарядов. Результат
этих изменений — значительное уменьшение
потерь (рис. 4). Необходимо учитывать, что
чем меньше потери в приборе, тем сложнее
обеспечивать зону безопасной работы при коротком замыкании (SCSOA). На рис. 5 можно
увидеть пример осциллограммы короткого
замыкания для 6-го поколения кристаллов.
Благодаря оптимизации затвора удалось добиться стойкости к токам короткого замыкания
более 10 мкс без ухудшения КПД прибора.

Антипараллельный диод

На рис. 6 изображены структуры обычного
и нового антипараллельного диода, используемого в серии NX. Как показано на рис. 7,
использование более тонких кристаллов способствует уменьшению как статических (V_f),
так и динамических (E_sw(rec)) потерь.

Поведение новых модулей
при включении и выключении

Уменьшение dv/dt при включении отлично
срабатывает для уменьшения электромагнитных помех, вызываемых преобразователем.
Обычно скорость dv/dt можно уменьшить, изменяя сопротивление затвора. Негативным при
этом является то, что при уменьшении dv/dt
увеличиваются потери на включение (E_sw(on)).
На рис. 8 показана зависимость между E_sw(on)
и dv/dt. Как видно, в 6-м поколении IGBT потери E_sw(on) на 20% меньше, чем у обычных IGBT,
при одной и той же скорости dv/dt = 7,5 кВ/мкс.
Также благотворное влияние на соотношение
между E_sw(on) и dv/dt оказывает новый антипараллельный диод (благодаря своему мягкому
восстановлению). Как результат, 6-е поколение
позволяет добиться низкого уровня помех при
низком уровне потерь.

Потери при выключении IGBT зависят от так
называемых токовых хвостов. Ток через коллектор не может быть остановлен моментально,
так как в N-слое находится большое количество
свободных электронов и дырок. Ток спадает
со скоростью, зависящей от времени жизни
электронов. В шестом поколении IGBT токовый
хвост значительно уменьшен благодаря оптимизации LPT-структуры. На рис. 9 показаны
осциллограммы выключения 5-го и 6-го поколений IGBT. Видно, что токовый хвост у 6-го поколения значительно меньше и, соответственно,
приводит к меньшим потерям E_sw(off).

Уровень потерь

На рис. 10 показаны уровни потерь для
5-го и 6-го поколения модулей IGBT (модули 1200 В, 150 А использованы в инверторе
на 30 кВт, напряжение сети 400 В). Затворный
резистор в обоих случаях выбран с расчетом
на то, чтобы обеспечить одну и ту же скорость
dv/dt при включении (7,5 кВ/мкс). Наши расчеты показывают, что 6-е поколение модулей
IGBT имеет на 20% меньшие потери, чем модули предыдущего поколения.

Тепловое моделирование

Тепловое моделирование модуля серии NX
показано на рис. 11. Моделирование проведено для полумоста 1200 В, 1000 А, используемого в инверторе при нагрузке 185 кВт и питающем напряжении 400 В. Температура кристаллов при использовании 6-го поколения IGBT
в среднем на 25 °С меньше, чем 5-го. Также
температура кристаллов антипараллельных
диодов меньше в среднем на 21 градус. Таким
образом, при использовании 6-го поколения
можно уменьшить размеры, вес и стоимость
системы охлаждения.

Надежность

Во многих случаях срок службы модулей
IGBT определяется величиной и количеством
колебаний температуры кристаллов IGBT при
прерывистом режиме работы. На рис. 12 показаны кривые термоциклирования для модулей серии NX в сравнении с серией H. Видно,
что по этому параметру серия NX значительно усовершенствована. 6-е поколение IGBT
позволяет поднять температуру кристаллов
до +175 °С. Серия NX была протестирована
при двух вариантах работы: T_jmax = +125 °C
и T_jmax = +175 °C. Видно, что при T_jmax = +175 °C
стойкость к термоциклированию меньше, чем
при T_jmax = +125 °C, но больше, чем у серии H
при T_jmax = +125 °C.

Заключение

Серия NX с кристаллами IGBT 6-го поколения показывает высокую производительность и низкий уровень электромагнитных
потерь. Вкупе с отличной стойкостью к термоциклированию это позволяет создавать
надежную и эффективную преобразовательную технику.