Новое поколение силовых модулей IGBT

Ребята из английской глубинки

Как водится у британцев, любая история должна быть как можно более запутанной и уходить корнями чуть ли не во времена Вильгельма Завоевателя, а лучше — центурионов Цезаря. Городок Линкольн в Восточном Мидленде, где квартирует Dynex, действительно был основан воинами IX «Испанского» легиона как форт Линдум Колония, впоследствии здесь были и викинги во главе с герцогом Нормандским, но история силовой электроники в Линкольншире началась все же несколько позже.

Британская компания Thomson Houston (BTH), входящая в состав Associated Electrical Industries Group, образовалась в конце XIX века с британскими подразделениями американских электротехнических гигантов General Electric и Westinghouse. BTH были оснащены производственными мощностями в Регби и Лестере. В 1956 году в провинциальном Линкольне были организованы специализированные установки по производству силовых полупроводниковых приборов на базе азота. Предприятие проходит через ряд изменений: с 1963 года оно называется AEI Semiconductors, в конце 1960-х годов является частью компании General Electric, в 1980 году — Marconi Electronic Devices, а с 1990-го — GEC Plessey Semiconductors. Все процессы слияний и поглощений сопровождаются различными всемирно известными компаниями, в том числе Marconi, Siemens, Edison, Alstom и тому подобными. Небольшое предприятие в Линкольншире становится глобальным центром экспертизы в области силовой электроники. Неудивительно, что оно стало соучредителем академии микроэлектроники при университете графства Суррей (Большой Лондон) и исследовательских центров при университете в Дареме и Уорике.

Имя Dynex Semiconductor (далее — Dynex) предприятие получило в 2000 году, перейдя под контроль управляющей компании Dynex Power Inc., только год как созданной в Торонто инвесторами, подозрительно похожими на разбогатевших инженеров с Линкольншира.

Продукция Dynex получает «прописку» во многих знаковых проектах в аэрокосмической, энергетической, железнодорожной и автомобильной отраслях. Стоит вспомнить силовые цепи американского истребителя 5-го поколения F35 «Молния» или французских электрофургонов Renault Kangoo Z.E. Очень сильные позиции Dynex в сегменте электроники для железной дороги привели к приобретению ее акций (процесс длился с 2008 по 2018 год) главным клиентом — подразделением китайской корпорации CRRC. Под крылом крупнейшего в мире производителя железнодорожных локомотивов и подвижного состава (359-е место в Fortune Global 500 и более 1,4 млрд евро в год инвестиций в R&D) ребята из провинциального Линкольна удерживают лидерство в мировой отрасли силовых полупровод­никовых приборов.

Краткий обзор продукции

Номенклатура стандартных изделий Dynex [2] предоставляет разработчикам широкий выбор биполярных полупроводниковых приборов, в частности фазоконтрольных тиристоров с рабочими напряжениями 1400–8500 В и токами 370–7610 А, выпрямительных диодов (1400–9000 В до 8880 А), тиристоров с изолированным затвором (1300–4500 В к 1180 А), импульсных тиристоров (3300 и 4500 В к 1670 А) и диодов с быстрым восстановлением (1400–6500 В до 3200 А), в том числе в виде FRD-модулей (1200–6500 В к 1200 А). Недавно номенклатура дополнена асимметричными шунтирующими тиристорами на прямое напряжение 1000 В и обратными 3300 и 4500 В и токами до 3200 и 2900 А для защиты IGBT в многоуровневых преобразователях напряжения.

Производственный цикл Dynex отличается высокой степенью вертикальной интеграции и предусматривает сосредоточенные в пределах одного предприятия исследования, разработку, производство полупроводниковых кристаллов, корпусирование, испытания и техническую поддержку разработчиков. Кроме стандартных изделий, компания немало работает по индивидуальным ТЗ заказчиков. Это касается клиентов из ВПК и аэрокосмического сектора, а также крупных заказчиков со специфическими требованиями. В частности, для удовлетворения потребностей китайских железнодорожников было построено отдельное производственное предприятие в миллионном городе Чжучжоу.

Отдельной группой в номенклатуре Dynex стоят биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT). Исключительная осведомленность в современных технологиях и замкнутый цикл производства дают возможность относительно небольшому предприятию выступать независимым поставщиком IGBT-технологий мирового значения.

IGBT-модули Dinex. Перезагрузка

В последние годы (очевидно коррелированно с инвестициями в R&D) Dynex значительно обновила линейку продукции, прежде всего в сегменте IGBT. Компания поставляет IGBT в виде кристаллов и модулей, в том числе в корпусе Presspack. Линейка стандартных IGBT-модулей (рис. 1) включает устройства на напряжения до 1200, 1700, 3300, 4500 и 6500 В и максимальные токи, соответственно, 2400, 1800, 1500 и 1000 А (табл. 1). Заказчики имеют возможность выбирать из приборов, изготовленных на базе проприетарных технологий Dynex Non Punch Through (DNPT) и Dynex Soft Punch Through (DSPT) и современной Trench Soft Punch Through (TSPT).

Рис. 1. Модель IGBT-модуля Dynex

IGBT-модули Dynex по внутренней электрической схеме делятся на единичные IGBT (single), полумосты с последовательно соединенными IGBT (halfbridge), прерыватели с последовательно соединенными IGBT и диодом (chopper). Все приборы имеют встроенный обратный или инверсный (антипараллельный) быстро восстанавливаемый диод FRD с «мягкими» характеристиками обратного восстановления.

Инкапсулированные в герметичные корпуса с прижимными контактами Presspack IGBT-модули рассчитаны на напряжения до 4500 В и токи до 2100 А (заявлена также доступность модулей к 3000 А [3] и анонсировано на 4000 А). Кроме того, в последние годы компания начала быстрое развитие отдельной линейки IGBT-модулей для автомобильной промышленности, сертифицированных на соответствие AECQ101, AQG324 и IATF16949.

В общем, IGBT от Dynex имеют широкое применение в системах управления двигателями, импульсных преобразователях, инверторах, сервоприводах и тому подобное.

Компоненты IGBT Dynex для таких приложений отвечают следующим требованиям:

• низкие статические и динамические потери (на низких частотах по этому показателю они превосходят MOSFET);
• широкая прямоугольная область безопасной работы (в неблагоприятном режиме ключа при максимальных значениях тока, напряжения и длительности импульса);
• высокая устойчивость к токам короткого замыкания;
• устойчивость к большим импульсным токам;
• малые емкости и заряды затворов;
• высокие частоты переключения: до 100 кГц;
• не требуют отрицательного смещения на затворе для устойчивого замыкания;
• малое остаточное напряжение, не более: 2,5 В;
• возможность параллельного включения;
• низкий остаточный ток с низкой температурной зависимостью;
• низкая внутренняя индуктивность модулей;
• способность выдерживать высокие значения di/dt и dv/dt;
• улучшенная электромагнитная совместимость;
• высокое значение изоляции: до 10,2 кВ;
• высокая надежность, улучшенная термо­циклостойкость;
• 100%-ный заводской контроль в статическом и динамическом режимах.

Учитывая задачи по минимизации потерь, которые решают разработчики силового оборудования, Dynex предлагает многочисленные специализированные серии, рассчитанные на определенные значения рабочей частоты и напряжения насыщения. В номенклатуре имеются отдельные группы модулей с пониженными коммутационными и кондуктивными потерями (потерями на проводимость), а также модули с пониженным уровнем индуктивности (выделено шрифтом в табл. 1).

Замечания по обозначению артикулов

Приведенная выше таблица 1 становится значительно информативнее после ознакомления с системой сокращений, обновленной компанией Dynex в этом году [1]:

• DIM1500ESM33MF — идентификатор производителя Dynex Semiconductor;
• DIM1500ESM33MF — тип модуля: I — IGBT-модуль, F — FRD-модуль;
• DIM1500ESM33MF — модуль;
• DIM1500ESM33MF — номинальный ток;
• DIM1500ESM33MF — идентификатор компоновки модуля, номинального напряжения и класса изоляции [1], E: 190×140×38 мм, 3,3 и 6 кВ;
• DIM1500ESM33MF — схема модуля [1, 2], S — одиночный ключ, D — двойной ключ, B — двунаправленный ключ, H — полумост, C — измельчитель, K — измельчитель верхнего плеча, L — измельчитель нижнего плеча, F — блок с 6-мА ключами;
• DIM1500ESM33MF — материал основы, S — медь, M — металоматричний композит;
• DIM1500ESM33MF — максимальное рабочее напряжение (разделенная на 100), 33–3,3 кВ;
• DIM1500ESM33MF — технология, например, MF — Dynex Soft Punch Through, оптимизирован для снижения коммутационных потерь (табл. 2).

Также в конце артикула может быть дополнительный трехзначный идентификатор: 000 — стандартный продукт, 001 — класс изоляции превышает требования стандартов IEC, 076 — предоставляются результаты тестирования, XXX — по спецификации заказчика.

Максимизация эффективности на системном уровне

Важнейшая цель при проектировании силовой электроники — снижение потерь. В случае с IGBT эта задача усложняется тем, что физически проблематично одновременно уменьшить потери динамические (коммутационные) и статические (кондуктивные) в отдельном приборе. Новое поколение IGBT-модулей от Dynex демонстрирует улучшенные характеристики эффективности относительно существующих на рынке аналогов, впрочем, кроме увеличения эффективности на уровне компонентов, производитель предлагает разработчикам силового оборудования повышать эффективность и на системном уровне за счет подбора IGBT-модулей в соответствии с условиями конкретных приложений. В качестве примера производитель приводит [5] снижение потерь в топологии трехуровневой схемы инвертора с фиксированной нейтралью (3L NPC — 3Level Neutral Point Clamped) за счет использования двух разных модулей, оптимизированных для различных частот, вместо одного универсального IGBT-модуля.

Рис. 2. Схема плеча инвертора 3L NPC

В схеме инвертора (рис. 2) основные потери приходятся на транзисторы T1–T4 и NPC-диоды D5 и D6. Потери на инверсных диодах D1–D4 относительно невелики. В различных режимах потери на коммутацию преобладают на T1 и T4, потери на проводимость — на T2 и T3. Увеличение эффективности на системном уровне возможно за счет использования в инверторе вместо одного универсального IGBT-модуля двух: оптимизированного по частоте коммутации (Low Switching Loss Range) для T1 и T4 и оптимизированного по проводимости (Low Conduction Loss Range) для T2 и T3. В частности, в статье Шивы Уппулури [5] рассматриваются модули DIM1500ESM33MF (далее — MF) и DIM1500ESM33MS (далее — MS). Результаты моделирования потерь по отдельной и совместной работе модулей MF/MS сравниваются с потерями универсальных IGBT-модулей от других производителей (любят в Dynex похвастаться преимуществом!). Как видим (рис. 3), на отдельных частотах оптимизированные модули могут проигрывать универсальным, но в сочетании они показывают значительно более высокую эффективность.

Рис. 3. Зависимость потерь мощности от частоты для отдельных IGBT-модулей и их комбинации

Впрочем, производитель приводит данные по преимуществам своих продуктов и на уровне компонентов по сравнению с существующими на рынке аналогами [4]. В частности, сравнивается уровень эффективности ceteris paribus уже упоминавшегося стандартного модуля DIM1500ESM33MF и его аналогов в трехфазной двухуровневой топологии в зависимости от среднеквадратического значения тока (рис. 4), от частоты по току 385 А (рис. 5) и при фиксированных значениях тока 385 А и частоты 750 Гц (рис. 6).

Рис. 4. Сравнение потерь IGBT-модулей в зависимости от среднеквадратичного значения тока

Рис. 5. Сравнение потерь IGBT-модулей в зависимости от частоты

Производитель утверждает, что за счет применения проприетарной LOCOS-технологии (LOCal Oxidation of Silicon) удалось значительно увеличить эффективность еще на уровне кристалла. В частности, на 30% увеличена плотность мощности, до +150 °C — температура перехода, а на уровне готового продукта потери мощности в типичной трехфазной двухуровневой топологии снижены на 10% по сравнению с лучшими существующими аналогами.

Рис. 6. Сравнение потерь IGBT-модулей ceteris paribus

Параллельное подключение

Параллельное подключение IGBT-модулей для увеличения суммарного тока требует определенной осторожности, учитывая дисбаланс токов в отдельных модулях, вызванный различиями в динамических и статических характеристиках модулей при присущем IGBT отрицательном температурном коэффициенте по напряжению насыщения [6]. Фактор дисбаланса, отражающий относительную разность максимального и минимального тока в подключенных в параллель модулях, в статическом режиме является функцией напряжения насыщения, температуры перехода и зависит от конструкции модуля и технологии изготовления кристалла. В динамическом режиме главной причиной дисбаланса становится разница передаточных характеристик отдельных модулей (зависимости коллекторного тока от напряжения между затвором и эмиттером). Сравнение дисбаланса и фактора снижения токов в различных режимах показывает, что во многих случаях статический фактор дисбаланса больше динамического и именно на него надо ориентироваться при определении характеристик модулей для параллельного подключения. Уменьшение дисбаланса в динамическом режиме возможно с помощью резисторов в цепях затворов и эмиттеров (рис. 7), которые создают демпфер паразитных колебаний и подавляют компенсационные токи между вспомогательными эмиттерами.

Рис. 7. Развязка IGBT при параллельном включении

Последовательное подключение и выбор драйвера

При последовательном включении IGBT, скажем, для управления двигателем по полумостовой схеме, необходимо согласовать задержки включения IGBT верхнего и нижнего плеча для предотвращения проникновения постоянного тока в обмотку двигателя. Кроме того, схема драйвера должна обеспечивать достаточную коррекцию времени коммутации для предотвращения большого сквозного тока через модули. Метод задержки не требует никаких дополнительных силовых компонентов, и в IGBT не возникает больших потерь [7]. При этом надо уделить внимание размещению схемы драйвера на печатной плате в разрезе минимизации шумов от паразитных элементов схемы и предотвращения электрического пробоя при используемом рабочем напряжении.

Ток коллектора IGBT зависит от напряжения «коллектор-эмиттер» и «затвор-эмиттер». Проводимость IGBT увеличивается при росте второй, поэтому желательно увеличить ее до максимума, то есть до 15 В. При отключении следует держать ее в пределах от –8 до –15 В — этого достаточно для снижения потерь и обеспечения устойчивости к dv/dt. Как и большинство производителей IGBT, компания Dynex гарантирует сохранение работоспособности транзистора при коротком замыкании до 10 мкс значения рабочего напряжения в 50% от максимальной при напряжении 15 В между затвором и эмиттером и температуре перехода + 125 °C. При КЗ на транзисторе в проводящем состоянии ток через коллектор и напряжение между коллектором и эмиттером быстро увеличиваются, вызывая также резкое повышение напряжения «затвор-эмиттер». Предупреждению такого сценария способствует встречно-параллельное включение диодов Зенера параллельно кругу «затвор-эмиттер» (рис. 8).

Рис. 8. Ограничения напряжения «затвор-эмиттер»

Онлайн-моделирование

Все необходимое для нужд проектировщиков представлено на веб-сайте [10], там размешен простой онлайн-инструмент для подбора IGBT-модулей для силовых схем. Пользователю предоставляется выбор из популярных типовых топологий: повышающий или понижающий преобразователь, одно- или трехфазный диодный выпрямитель, пяти-, трех- (типа I или T) и двухуровневый (одно- или трехфазный) инвертор; тип нагрузки (сеть или двигатель), а также предлагается задать основные характеристики: напряжение в сети и величину нагрузки (или ток). Под заданные параметры сайт выдает список соответствующих задаче компонентов (разумеется, по номенклатуре Dynex) и предлагает пользователю выбрать два или три из них. После нажатия виртуальной кнопки Show System Simulation пользователь практически мгновенно получает симуляцию работы системы и сравнение избранных вариантов по потерям, а также визуализацию параметров работы системы при различных вариантах с возможностью масштабировать диаграммы и пересматривать параметры на любой их точке. Результаты почти мгновенно конвертируются в документ в формате PDF одним нажатием клавиши мыши. Доступ к симулятору не требует регистрации и открыт для всех желающих на вкладке меню Design Support.

Там же для загрузки доступны PLECS-модели (Piecewise Linear Electrical Circuit Simulation) всех изделий для использования в распространенных симуляторах Simulink от MathWorks или PLECS или WBS (WebBased Simulation) от Plexim.

Замечания по монтажу и эксплуатации

В рекомендациях по монтажу [8] производитель напоминает об уязвимости биполярных полупроводниковых компонентов к электростатическим разрядам. Превышение из-за накопления электростатического заряда максимального напряжения «эмиттер-затвор» (обычно ±20 В) может разрушить чип. Поэтому должны быть приняты меры для исключения такого повреждения. IGBT, поставляемые фирмой Dynex, имеют перемычки между затвором и эмиттером и антистатическую упаковку. При монтаже необходимо принять меры по защите IGBT-модулей от воздействия статического электричества и перенапряжений в цепи затвора (обязательное применение персоналом заземляющих браслетов и заземленных низковольтных паяльников с питанием через трансформатор).

При эксплуатации необходимо выполнять следующие условия:

• значение рабочего пикового напряжения в схемах должно быть не более 80%, а рабочего постоянного напряжения не более 60% от классификационного значения напряжения «коллектор-эмиттер»;
• запрещается устанавливать предохранители между фильтрами блока питания и силовыми ключами, поскольку предохранители имеют большую индуктивность;
• значение повторяющегося пикового тока не должно превышать 80% от классификационного постоянного тока коллектора;
• температура p-n-перехода не должна превышать 80% максимально допустимой температуры T_{j max}, указанной в спецификациях, расчет методом тепловых сопротивлений [9];
• при включении схемы сначала должно подаваться напряжение питания на систему управления и драйверы, и только потом — на IGBT;
• при выключении снятие напряжения питания должно проводиться в обратном порядке;
• время нарастания и спада напряжения управления должно быть минимизировано;
• для защиты модулей от перенапряжений в цепи «коллектор-эмиттер» рекомендуется применение снабберных RC- и RCD-цепей, установленных непосредственно на силовых выводах.

Кстати, о теплоотводе. Производитель, конечно, не настаивает, но настоятельно рекомендует использовать радиаторы Dynex, имеющие увеличенную площадь теплоотдачи за счет дополнительных канавок в ребрах и могущих применяться как в системах с естественной воздушной конвекцией, так и в системах с обдувом.

Улучшение термодинамических характеристик достигается использованием в модулях Dynex современных матричных композиционных материалов (в частности, AlSiC, Aluminium Silizium Carbid да и AlN (Aluminium Nitrit), имеющих высокую теплопроводность и низкий коэффициент теплового расширения. Разработанные Dynex IGBT-модули удовлетворяют самым высоким требованиям по термостойкости в циклических режимах, например в составе тяговых электроприводов.