Современные продукты компании IXYS.
Обзор силовых IGBT-модулей

Становление и развитие IXYS

Компанию IXYS (Милпитас, Калифорния, США) в 1983 г. основал Натан Зоммер (Nathan Zommer), получивший степень бакалавра и магистра наук по физической химии в Тель-Авивском университете и степень доктора наук по электротехнике в университете Карнеги-Меллона (Питтсбург, США). В различное время доктор Зоммер работал в Intersil, Hewlett-Packard и General Electric [1]. Вновь образованная фирма достаточно быстро заняла на американском рынке нишу высоковольтных силовых полупроводниковых приборов.

В 1989 г. компания приобрела немецкое подразделение фирмы АВВ, что дало ей возможность про-никнуть на быстрорастущие европейские рынки силовых полупроводников. В 2000 г. IXYS поглотила компанию Direct Energy Inc. (DEI, штат Колорадо) — производителя быстродействующих силовых приборов и компонентов для ОЕМ-производителей. В 2002 г. в собственность IXYS перешли британская Westcode Semiconductors, выпускавшая приборы большой мощности, и американская Clare, специализировавшаяся на выпуске гибридных интегральных микросхем и оптических изоляторов, используемых в телекоммуникационной аппаратуре. В 2003 г. было сделано очередное приобретение — компания Microwave Technology (Калифорния, США), один из ведущих производителей дискретных СВЧ полупроводниковых приборов, беспроводных и микро-волновых усилителей, MMIC-усилителей и гибридных модулей.

На рынок полупроводниковой светотехники компания вышла после покупки в 2009 г. двух европейских подразделений фирмы Leadis Technology (Калифорния, США), производящих драйверы светодиодов и дисплеев. В феврале 2010 г. была закрыта сделка по приобретению одного из ведущих производителей микропроцессоров и систем на кристалле для промышленных и бытовых приложений — Zilog (Милпитас). Таким образом, корпорация выросла в производителя широкой гаммы полупроводниковых продуктов [2].

В настоящее время более 1000 квалифицированных сотрудников десяти подразделений IXYS в Северной Америке, Европе и Азии разрабатывают и производят продукты и технологии для более чем 90% номенклатуры устройств силовой электроники, в том числе для инверторов источников возобновляемой энергии (ветровых и солнечных электро-станций и др.) [3].

Новые разработки IXYS

В каталоге IXYS 2011 г. представлена продукция в следующих категориях: силовые приборы; микро-схемы специального (ASIC) и общего применения; микропроцессоры; мощные ВЧ/СВЧ полупроводниковые приборы; модули и системы; дисплеи; приборы для источников «зеленой» энергии. Перечислим некоторые новые разработки, представленные компанией летом/осенью 2011 г. [4].

SIV-3028 — портативный анализатор параметров солнечных батарей SIV-3028 (Handheld Solar Curve Tracer, выпускается подразделением IXYS Colorado), рис. 1. Прибор предназначен для измерения производительности элементов солнечных батарей (до 30 А, 28 В, 150 Вт) в полевых условиях (пределы измерения устанавливаются автоматически), а также для измерения интенсивности света в ваттах на квадратный метр. Внутренняя система хранения данных позволяет запоминать до 100 результатов измерений, которые впоследствии могут быть выведены через интерфейсы RS-232 и USB [5].

Рис. 1. Внешний вид портативного анализатора солнечных батарей SIV-3028

IXOLAR SolarBIT — второе поколение производимых компанией солнечных источников питания, предназначенных для зарядки аккумуляторов мобильных устройств. Приборы выполнены в корпусах 27×7×1,8 мм (вес 0,5 г), что позволяет и применять их в дистанционных датчиках систем безопасности, беспроводных устройствах, мобильных телефонах, фотоаппаратах, компактных компьютерах, МР3-плеерах, фонариках, портативных медицинских приборах и других приложениях. Устройства выполнены на основе высококачественных монокристаллических фотоэлементов, эффективность преобразования световой энергии достигает 22%. В каталоге фирмы представлены два типа приборов серии IXOLAR SolarBIT и 11 типов серии IXOLAR SolarMD, обеспечивающие выходные напряжения 0,63–7,56 В, токи короткого замыкания 15–200 мА, мощности 18,6–1081,1 мВт, плотность тока 42,4 мА/см2. Наиболее мощный прибор SMLD481H12 составлен из 12 солнечных элементов и обеспечивает выходной ток 178,4 мА при напряжении 7,56 В, массогабаритные показатели — 90×79×2 мм, 22 г [6].

Линейка быстродействующих высоковольтных (1200 В) ХРТ IGBT с высоким усилением (Rugged and Fast 1200 V High-Gain (XPT) IGBTs). Приборы могут быть использованы для построения мощных высокочастотных инверторов, высоковольтных импульсных источников питания, промышленных электроприводов, систем освещения, сварочных аппаратов, зарядных устройств, корректоров коэффициента мощности. Новые IGBT отличаются большими токами (105–160 А при t = +25 °С), высокой частотой переключения (до 50 кГц), малыми напряжением насыщения (3 В) и временем спада (57 нс), а также малой энергией выключения E_off = 1,2 мДж. Кроме того, приборы сохраняют положительный температурный коэффициент напряжения насыщения, что облегчает параллельное включение нескольких IGBT для повышения мощности приложений. Совместно с новыми приборами используются собственные «сверхбыстрые» антипараллельные диоды Sonic-FRDTM [7].

MINI-Z WI-FI (выпускается подразделением ZiLOG) — автономный 802.11b/g TCP/IP-модуль для беспроводных сетей в 28-выводном DIP-корпусе. В состав модуля входят 16-разрядный микроконтроллер ZNEO Zilog и модуль подвижных сетей 2,4 PH-171 802.11 b/g Wi-Fi, LAN. Устройство имеет богатый выбор функций с поддержкой широкого спектра сетевых приложений: безопасная Wi-Fi-аутентификация с использованием стандартов WEP-128, WPA-PSK (TKIP/AES); поддержка сетевых технологий DHCP, UDP, DNS, ARP, ICMP, TCP, HTML; функция энергосбережения; роуминг; программное управление выходной мощностью передатчика (0–12 дБдмВт). Примеры применения модуля, рекомендованные изготовителем: управление вентиляторами (12/24 В), термостатами, системами архитектурного освещения и анимации, аудиосистемами, пневматическими инструментами [8].

PCM-7510 — драйвер мощных лазерных диодов с воздушным охлаждением и выходной мощностью до 1250 Вт (подразделение IXYS Colorado). Прибор обеспечивает рас-качку лазерных диодов с током 50–250 А; длительность импульсов от 5 мкс до 5 мс, время нарастания/спада импульсов 2–8 мкс, частота следования импульсов может менять-ся в пределах 40–5000 Гц при использовании внутреннего тактового генератора; в режиме внешней синхронизации возможна работа пачками импульсов с частотой заполнения до 5000 Гц. Драйвер предназначен для применения в промышленных лазерных установках, в научных и экспериментальных приложениях. Управление устройством осуществляется через интерфейс RS-232 [9].

IXD_630 (подразделение Clare) — драйвер затворов нижних плеч инверторов, предназначенный для управления мощными IGBТ- и МОП-транзисторами и обеспечивающий выходной ток до 30 А. Драйвер может работать в диапазоне температур –40…+125 °С, что позволяет применять его в промышленном оборудовании и автомобильных преобразователях напряжения. Типовое время нарастания/спада импульсов 11 нс при емкости нагрузки 5600 пФ. Выпускаются неинвертирующие (IXDD630) и инвертирующие (IXDD630M) драйверы в пятивыводных ТО-263 корпусах [10].

Обзор перспективных силовых модулей IXYS

К категории силовых приборов IXYS относятся: дискретные MOSFET, IGBT и тиристоры; MOSFET- и IGBT-модули; диоды и диодные модули с быстрым восстановлением обратного сопротивления; диоды Шоттки; выпрямительные диоды и мосты, корректоры коэффициента мощности; диодные и тиристорные модули; высоковольтные регуляторы; переключатели; приборы защиты; алюминиевые подложки DCB (Direct-Copper-Bonded); быстрые диоды, выпрямители и IGBT в корпусах для монтажа на поверхность [11].

В каталоге компании 2011 г. представлена широкая номенклатура IBGT-модулей различных конфигураций, классификационные параметры модулей структуры CBI (Convertor/Brake/Invertor) приведены в таблице.

Приборы, включенные в таблицу, выпускаются в четырех разновидностях структур:

• 3-CBI — трехфазный выпрямитель/чоппер/инвертор;
• 1-CBI — однофазный выпрямитель/чоппер/инвертор;
• 1-CI — однофазный выпрямитель/инвертор;
• 3-CI — трехфазный выпрямитель/инвертор.

Более подробно рассмотрим особенности и параметры некоторых перспективных модулей структуры 3-CBI, техническая документация на которые относится к 2010–2011 гг.

Модули структуры 3CBI

MIXA30WB1200TED

MIXA30WB1200TED — модуль со встроенным терморезистором с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления (NTC, R = 5 кОм, В_25/50 = 3375), в корпусе E2-Pack с изолированным медным основанием. Внешний вид прибора показан на рис. 2, структура и назначение выводов — на рис. 3. Области применения модуля, рекомендованные изготовителем: драйверы электродвигателей переменного тока; инверторы солнечных батарей; медицинское оборудование; источники бесперебойного питания; системы кондиционирования; сварочное оборудование; импульсные и квазирезонансные источники питания. Диапазон рабочих температур (Т_vj) модулей –40…+125 °С (максимальная расчетная температура кристаллов +150 °С), напряжение изоляции 2500 В, тепловое сопротивление корпус/теплоотвод R_{th ch} = 0,02 К/Вт.

Рис. 2. Внешний вид модуля MIXA30WB1200TED

Рис. 3. Структура модуля MIXA30WB1200TED

Особенности модуля:

• легкость параллельного соединения приборов благодаря положительному температурному коэффициенту напряжения от-крытых IGBT;
• структура ХРТ (Xtreme light Punch Through), обеспечивающая малый заряд затворов IGBT и низкий уровень электромагнитных излучений;
• малое напряжение насыщения IGBT, обеспечиваемое сочетанием технологии тонкой подложки (Thin Wafer Technology) и структуры ХРТ;
• быстрое и мягкое восстановление обратно-го сопротивления, малое прямое напряжение благодаря антипараллельным диодам SONIC.

Приведем отсутствующие в таблице основные параметры IGBT и диодов.

• IGBT-инверторы Т1–Т6:
  • заряд затвора Qз — 76 нК (типовое значение при U_кэ = 600 В, U_зэ = 15 В, I_к = 25 А, Т_vj = 25 °С);
  • время задержки включения/выключения t_d(on)/t_d(off) — 70/250 нс;
  • время нарастания/спада тока t_r/t_f — 40/100 нс;
  • энергия включения/выключения Е_on/E_off — 2,5/3 мДж (временные параметры и энергия переключения при U_кэ = 600 В, I_к = 15 А, U_зэ = ±15 В, R_з = 39, Ом, Т_vj = 125 °С);
  • зона безопасной работы при коротких замыканиях в нагрузке (SCSOA): t_кз не более 10 мкс, I_кз не менее 100 А (при U_кэ = 900 В, U_зэ = ±15 В, R_з = 39 Ом, Т_vj = 125 °С).
• Антипараллельные диоды инверторов D1–D6:
  • прямое напряжение U_пр — 1,95 В;
  • заряд восстановления Q_rr — 3,5 мкК;
  • максимальный ток восстановления I_rm — 30 A;
  • время восстановления обратного сопротивления t_rr — не более 350 нс;
  • энергия восстановления E_rec — 0,9 мДж (параметры при U_обр = 600 В, di_пр/dt = -600 А/мкс, I_пр = 30 А, Т_vj = 125 °С).
• IGBT и диод тормозного чоппера Т7/D7 (отличающиеся параметры):
  • Q_з — 28 нК;
  • Е_on/E_off  — 1,1/1,1 мДж;
  • Q_rr — 0,6 мкК;
  • I_rm — 6 A;
  • E_rec — 0,2 мДж.
• Диоды выпрямителя D11–D16:
  • максимальный выпрямленный ток выпрямителя I_davm — 105 A (при Т_vj = +80 °С);
  • прямое напряжение U_пр — 1,34 В (при Iпр = 50 А);
  • общая мощность рассеяния P_tot — не более 110 Вт (при Т_vj = +25 °С);
  • тепловое сопротивление кристалл/корпус R_{th jc} — не более 1,1 К/Вт.

На рис. 4 приведены зависимости энергий включения/выключения IGBT-инверторов модуля от сопротивления в цепи затвора.

Рис. 4. Зависимость энергий включения/выключения IGBT-инверторов модуля MIXA30WB1200TED от сопротивления в цепи затвора

MIXA80WB1200TEH

MIXA80WB1200TEH — силовой модуль с терморезистором NTC (R = 5 кОм, В_25/50 = 3375), внешний вид и структура прибора соответствуют показанным на рис. 2, 3. Приведем параметры модуля, отличающиеся от параметров MIXA30WB1200TED:

• IGBT-инвертров T1-T6: Q_з — 230 нК; Е_on/E_off — 6,8/8,3 мДж (U_кэ = 600 В, I_к = 75 А, R_з = 10 Ом);
• антипараллельные диоды инверторов D1-D6: Q_rr — 12,5 мкК; E_rec — 4 мДж (U_обр = 600 В; di_пр/dt = -1600 А/мкс, I_пр = 100 А);
• IGBT и диод тормозного чоппера T7/D7: Q_з — 107 нК; Е_on/E_off  — 3,8/4,1 мДж; I_rm — 30 A; E_rec — 0,9 мДж;
• диоды выпрямителя D11-D16: I_davm — 265 A; P_tot — 250 Вт; U_пр — 1,3 В (при I_пр =150 А); R_{th jc} — не более 0,5 К/Вт.

MITA10WB1200TMH/MITB15WB1200TMH/MITA30WB600TMH

MITA10WB1200TMH/MITB15WB1200TMH/MITA30WB600TMH — модули структуры 3-CBI с терморезистором NTC (R = 5 кОм, В_25/50 = 3375), внешний вид модулей показан на рис. 5, структура и назначения выводов — на рис. 6. Приборы выполнены в корпусах MiniPack 2 высотой 17 мм. Области применения модулей, рекомендованные изготовителем: драйверы двигателей переменного тока; насосы, вентиляторы; стиральные машины; системы кондиционирования; инверторы и источники питания.

Рис. 5. Внешний вид модулей MITAххх, MITBххх

Рис. 6. Структура модулей MITAххх, MITBххх

Особенности модулей:

• малое напряжение насыщения, положительный температурный коэффициент напряжения открытых транзисторов, высокое быстродействие, короткий переходной процесс при выключении, обеспечиваемые инверторами Trench IGBT;
• эпитаксиальные антипараллельные диоды с быстрым и мягким восстановлением обратного сопротивления;
• высокая степень интеграции (для построения драйверов необходим только один силовой полупроводниковый модуль).

Приведем основные параметры приборов MITA10WB1200TMH (в скобках отличающиеся параметры модулей MITB15WB1200TMH, MITA30WB600TMH), отсутствующие в таблице:

• IGBT-инверторов Т1–Т6: Q_з — 54 нК (92 нК, 300 нК); t_d(on)/t_d(off) — 60/360 нс (20/160 нс); t_r/t_f — 35/340 нс (20/60 нс); Е_on/E_off — 1,55/1,1 мДж (2/1,7 мДж, 0,65/0,75 мДж); параметры при U_кэ =600 В, I_к =10 А (15, 30 А), U_зэ = ±15 В, R_з =100 Ом (75 Ом, 15 Ом), Т_vj =125ºC.
• антипараллельные диоды инверторов D1–D6: U_пр — 1,6 В (1,9 В, 1,2 В); Q_rr — 1,9 мК (2,3 мК), I_rm — 12,8 A (19,6 А), t_rr — 335 нс (330 нс), E_rec — 0,54 мДж (0,68 мДж), параметры при di_пр/dt = –300 А/мкс (–420 А), I_пр = 10 А (15 А), Т_vj = +125 °C;
• IGBT чоппера T7: Q_з — 54 нК (92 нК, 300 нК), Е_on/E_off — 1,55/1,1 мДж (1/1,3 мДж, 0,65/0,75 мДж);
• диоды выпрямителя D8–D13: I_davm — 61 A (89 А); P_tot — 50 Вт (80 Вт), U_пр — 1,35 В (1,1 В) R_{th jc} — не более 2,1 К/Вт (1,4 К/Вт).

Модули других структур

Кроме приведенных в таблице приборов, компания выпускает IGBT-модули с другими структурами:

• Six-Pack (шесть инверторов + шесть анти-параллельных диодов);
• Full Bridge (четыре инвертора + четыре антипараллельных диода);
• ISOPLUS i4-PAC (два инвертора с двумя антипараллельными диодами в малогабаритном корпусе);
• Phase-Leg (два инвертора + два антипараллельных диода);
• Boost/Buck Chopper (тормозные чопперы различных структур);
• High Power (строенные инверторы большой мощности с антипараллельными диодами);
• SMPD (модули в корпусах для монтажа на поверхность).

Модули перечисленных структур разработаны в 2000–2011 гг., ряд из них снимается с производства. Рассмотрим особенности некоторых перспективных приборов, техническая документация на которые выпущена в 2011 г.MIXA61H1200EDMIXA61H1200ED — модуль IGBT XPT Full Bridge в корпусе E2-Pack (рис. 2), структура прибора показана на рис. 7. Области применения модуля, рекомендованные изготовителем: драйверы двигателей переменного тока; инверторы солнечных батарей и источников бесперебойного питания; медицинское оборудование, кондиционеры, сварочное оборудование, импульсные источники питания. Прибор характеризуется теми же особенностями, что и рассмотренные выше модули серии MIXAххх. Основные параметры:

• IGBT: U_кэ — 1200 В; Iк₈₀ — 60 А; Q_з — 165 нК; t_r/t_f — 40/100 нс, Е_on/E_off — 4,5/5,5 мДж; R_{th jc} — 0,43 К/Вт (параметры при U_кэ =600 В, I_к =50 А, Uзэ=± 15 В, R_з =15 Ом, Т_vj =125ºC);
• антипараллельные диоды: U_обр — 1200 В; I_{пр 25/80} — 85/57 А; U_пр — 1.95 В; Qr — 8 мкК; t_rr — 350 нс.

Рис. 7. Структура модуля MIXA61H1200ED

FII 30-06D

FII 30-06D — модуль ISOPLUS i4-PAC, со-стоящий из двух последовательно соединенных NPT IGBT с антипараллельными диодами HiperFRED (рис. 8). Прибор может быть использован в качестве однофазных Buck-Boost-чопперов, Н-мостов для импульсных источников питания, индукционных нагревателей, четырехквадрантных драйверов постоянного тока (Four quadrant DC drivers), контроллеров выпрямителей.

Рис. 8. Внешний вид модуля FII 30_06D

Основные параметры модуля:

• NPT IGBT: U_кэ — 600 В; I_к25/90 — 30/18 А; Q_з — 65 нК; t_r/t_f — 55/30 нс, Е_on/E_off — 0,75/0,6 мДж; R_{th jc} — не более 1,25 К/Вт (параметры при U_кэ =300 В, I_к =20 А, U_з = ±15 В, R_з =47 Ом, Т_vj =125ºC);
• HiperFRED диоды; U_обр — 600 В; I_пр25/90 — 30/15 А, Uпр₁₂₅ — 1,6 В, t_rr — 50 нс.

MIО 600-65E11, MIO 1800-17E10

MIО 600-65E11, MIO 1800-17E10 — модули большой мощности (High Power), состоящие из трех параллельно включенных NPT IGBT и антипараллельных диодов, выполненные в стандартных промышленных корпусах. Внешний вид и структура модуля MIO 600-65E11 показаны на рис. 9, MIO 1800-17E10 — на рис. 10. Области применения приборов: мощные преобразователи переменного тока для промышленных электроприводов, ветрогенераторов, тяговых приводов; импульсные генераторы для мощных лазеров. Модули отличаются низкими потерями, мягким переключением, обеспечивающим малые уровни электромагнитных помех. В конструкцию модулей входят специальная базовая AlSiC-плата для обеспечения высокой надежности при термоциклировании и AlN-подложка для снижения теплового сопротивления. Диапазон рабочих температур приборов –40…+125 °С. Основные параметры модулей MIO 600-65E11 (в скобках указаны значения для MIO 1800-17E10):

• NPT IGBT: U_кэ — 6500 В (1700 В); Iк₈₅ — 600 А (1800 А); U_кэ нас — 4,2 В (2,6 В); Q_з — 9,65 мкК (15,1 мкК); t_r/t_f — 270/930 нс (230/240 нс), Е_on/E_off — 4250/3250 мДж (530/670 мДж); R_{th jc} — 0,011 К/Вт (0,009 К/Вт, параметры при U_кэ =3600 В (900 В), I_к =600 А (1800 А), R_з =2,7/3,9 Ом (0,82 Ом), L_σ = 280 нГн (60 нГн), U_зэ = ±15 В, T_vj = 125 °C;
• антипараллельные диоды: I_пр — 600 А (1800 А); U_пр125 — 3,4 В (1,7 В); t_rr — 2200 нс (870 нс).

Рис. 9. Структура и внешний вид модуля MIO 600_65E11

Рис. 10. Структура и внешний вид модуля MIO 1800_17E10

Зависимости энергий включения/выключения IGBT-модуля MIO 600-65E11 от сопротивления затвора приведены на рис. 11, модуля MIO 1800-17E10 — на рис. 12.

Рис. 11. Зависимости энергий включения/выключения IGBT-модуля MIO 600-65E11 от сопротивления затвора

Рис. 12. Зависимости энергий включения/выключения IGBT-модуля MIO 1800-17E10 от сопротивления затвора

IXA 20PG1200DHGLB, IXA 40PG1200DHGLB

IXA 20PG1200DHGLB, IXA 40PG1200DHGLB — малогабаритные SMPD-модули в корпусах для монтажа на поверхность, состоящие из двух последовательно соединенных XPT IGBT и четырех диодов SONIC. Внешний вид и структура модулей показаны на рис. 13. Области применения те же, что и FII 30-06D. Основные параметры модуля IXA20PG1200DHGLB (в скобках отличающиеся параметры IXA40PG1200DHGLB):

• XPT IGBT: U_кэ — 1200 В; Iк₈₀ — 23 А (45 А); U_кэ нас — 2,1 В (2,2 В); Q_з — 48 нК (107 нК); t_r/t_f — 40/100 нс ; E_on/E_of — 1,55/1,7 мДж (3,8/4,1 мДж); R_{th jc} — не более 1 К/Вт (0,55 К/Вт), параметры при U_кэ =600 В, I_к =15 А (35 А), U_зэ = ±15 В, R_з =56 Ом (27 Ом), T_vj =125 °C;
• Sonic диоды D1, D2: I_пр80 — 18 А (27 А); U_пр — 2 В; t_rr — 350 нс.

Рис. 13. Внешний вид и структура модулей IXA 20PG1200DHGLB, IXA 40PG1200DHGLB

Рис. 14. Зависимости энергий включения/выключения модулей IXA 20PG1200DHGLB от сопротивления затвора

Зависимости энергий включения/выключения модуля IXA 20PG1200DHGLB от сопротивления затвора приведены на рис. 14. Габаритные чертежи модулей, рассмотренных в статье, приведены на сайте журнала.