Применение карбид-кремниевых силовых диодов Шоттки в IGBT инверторах с жестким переключением

№ 1’2006
PDF версия
В статье рассмотрены вопросы применения карбид-кремниевых диодов Шоттки в качестве антипараллельных в инверторах с жестким переключением. Приведены экспериментальные результаты измерений составляющих потерь, прогнозы развития данного направления.

Александр Полищук

Введение

За последнее десятилетие IGBT биполярные транзисторы надежно зарекомендовали себя в качестве основных ключевых приборов для мощной преобразовательной техники [1]. Благодаря меньшим по сравнению с MOSFET статическим потерям, хорошим динамическим характеристикам и простоте управления, эти приборы нашли применение в мощных (более 500 Вт) высоковольтных (более 500 В) инверторах для различных устройств силовой электроники, таких как электроприводы, установки индукционного нагрева, источники бесперебойного питания и др.

Во всех перечисленных устройствах биполярные транзисторы инвертора работают в так называемом жестком режиме, когда их переключение происходит при максимальных значениях токов и напряжений. Специфической особенностью этого режима, связанной с работой на индуктивную нагрузку, также является необходимость установки антипараллельных диодов, характеристики обратного восстановления которых вносят значительный вклад в динамические потери. Ток обратного восстановления антипараллельного диода протекает через ключевой транзистор во время его открывания, что приводит к рассеиванию значительной мощности как в самом силовом диоде, так и в биполярном транзисторе IGBT. Кроме того, у кремниевых диодов энергия обратного восстановления увеличивается с ростом температуры и скорости изменения прямого тока di/dt, что всегда присутствует в реальных инверторах.

Радикально снизить ток обратного восстановления и связанные с ним динамические потери в биполярном транзисторе IGBT позволяет замена кремниевых диодов Ultra Fast на высоковольтные карбид-кремниевые (SiC) диоды с барьером Шоттки.

Высоковольтные SiC-диоды Шоттки

Карбид кремния — это высокотемпературный радиационно-стойкий полупроводниковый материал с большой шириной запрещенной энергетической зоны. Его уникальные свойства хорошо известны, поэтому напомним лишь некоторые из них [2]: • Критическая напряженность электрического поля

SiC более чем на порядок превышает соответствующие показатели у Si и GaAs. Это приводит к значительному снижению сопротивления в открытом состоянии Ron. Например, при напряжении 600 В SiC-диод имеет Ron ↔ 1,4 мОм·см2, GaAs-диод — Ron ↔ 6,5 мОм·см2, Si-диод — Ron > 70 мОм·см2.

  • Малое удельное сопротивление в открытом состоянии, в сочетании с высокой плотностью тока и теплопроводностью, позволяет использовать очень маленькие по размерам кристаллы для силовых приборов.
  • Большая ширина запрещенной энергетической зоны является результатом более высокого барьера Шоттки по сравнению с Si и GaAs. В результате чрезвычайно малый ток утечки (менее 70 мкА при 200 °С) при повышенной температуре кристалла снижает термоэлектронную эмиссию за пределами барьера.
  • Высокая теплопроводность SiC снижает тепловое сопротивление кристалла (по сравнению с Si-диодами — почти в два раза).
  • Электронные свойства приборов на основе SiC очень стабильны во времени и слабо зависят от температуры, что обеспечивает высокую надежность изделий.
  • Высокая рабочая температура кристалла (более 600 °С) позволяет создавать высоконадежные приборы для жестких условий эксплуатации.

Для рассматриваемого применения важным является то, что в отличие от кремниевых p-n-диодов выключение SiC p-i-n-диодов Шоттки не сопровождается процессом рассасывания заряда в n-области и ток обратного восстановления отсутствует. Существует лишь незначительный ток заряда емкости обратно смещенного перехода. Поэтому, по аналогии с зарядом обратного восстановления Qrrpnдиодов, вводят понятие емкостного заряда Qcp— i- n-диодов Шоттки. На рис. 1 показаны зависимости зарядов Qrr и Qc от скорости спада тока через силовой диод.

Рис. 1. Зависимость заряда обратного восстановления Qrr Si_диода и емкостного заряда Qc SiС_диода от di/dt
Рис. 1. Зависимость заряда обратного восстановления Qrr Si-диода и емкостного заряда Qc SiС-диода от di/dt

Можно видеть, что величина емкостного заряда практически не зависит от di/dt, в то время как заряд обратного восстановления увеличивается, и соответственно растут потери на высоких частотах.

В настоящее время практически монополистом на рынке карбид-кремниевых полупроводниковых материалов является компания Cree. Это единственный в мире производитель SiC-пластин большого диаметра (до 100 мм) в массовых количествах. Из всей номенклатуры перспективных полупроводниковых приборов SiC [2] коммерчески доступны пока лишь высоковольтные силовые диоды Шоттки с напряжением 300-1200 В, номенклатура которых приведена в таблице 1.

Таблица 1. Карбид_кремниевые диоды Шоттки Cree® ZeroRecovery™
Таблица 1. Карбид-кремниевые диоды Шоттки Cree® ZeroRecovery™

Замена антипараллельных Si-диодов на SiC-диоды Шоттки (эксперимент)

Для экспериментальной оценки результатов применения SiC-диодов Шоттки можно использовать стандартную модель (рис. 2), применяемую для измерения потерь в биполярном транзисторе IGBT с интегрированным антипараллельным диодом [3].

Рис. 2. Схема измерения потерь в IGBT и диоде при работе на индуктивную нагрузку
Рис. 2. Схема измерения потерь в биполярном транзисторе IGBT и силовом диоде при работе на индуктивную нагрузку

Измерения проводились для двух вариантов ключевых приборов: с напряжением «коллектор — эмиттер» 600 и 1200 В. В первом случае скорость нарастания тока ограничена величиной 750 В/мкс с помощью затворного резистора Rg сопротивлением 10 Ом, во втором случае — 250 В/мкс при Rg = 22 Ом.

В момент времени T1 (рис. 2) биполярный транзистор IGBT включается, и ток через индуктор нарастает до момента времени T2. В момент T2 транзистор закрывается, и ток индуктора продолжает протекать через силовой диод. Потери при выключении биполярного транзистора IGBT и отпирании силового диода измеряются на интервале активной области транзистора. На интервале T2–T3 ток индуктора протекает через силовой диод до тех пор, пока транзистор не откроется и ток не начнет протекать через него. Потери при включении биполярного транзистора IGBT и запирании силового диода также измеряются на интервале нахождения транзистора в активной области.

Результаты измерений потерь в биполярном транзисторе IGBT с напряжением 600 В

Измерения динамических характеристик проводились при использовании кремниевого Ultra Fast силового диода 15 А, 600 В с мягким восстановлением (аналогичного интегрируемому в биполярном транзисторе IGBT с током коллектора 40 А) и SiC-диода Шоттки 10 А, 600 В типа CSD10060. Потери измерялись при напряжении питания 500 В и токе коллектора 20 А. Результаты измерений приведены на рис. 3-8.

Рис. 3. Осциллограммы напряжения, тока и мгновенной мощности при выключении кремниевого Ultra Fast диода
Рис. 3. Осциллограммы напряжения, тока и мгновенной мощности при выключении кремниевого Ultra Fast силового диода

На рис. 3 показаны осциллограммы напряжения, тока и мгновенной мощности при выключении кремниевого Ultra Fast силового диода (температура перехода 150 °С). Из рисунка видно, что пиковый ток обратного восстановления достигает 23 А, время обратного восстановления — 100 нс, пиковая рассеиваемая мощность — 7 кВт. На осциллограмме обратного напряжения наблюдается выброс величиной около 200 В, обусловленный высоким значением di/dt при восстановлении силового диода.

Рис. 4 иллюстрирует те же процессы, что и приведенные на рис. 3, только при использовании SiC-диода Шоттки при температуре перехода 150 °С. Помимо снижения тока обратного восстановления (точнее, тока заряда емкости обратно смещенного перехода, поскольку у приборов с барьером Шоттки отсутствует эффект накопления заряда) до 4 А при полной длительности этого процесса 33 нс и пиковой рассеиваемой мощности до 0,5 кВт полностью отсутствует выброс обратного напряжения на силовом диоде.

Рис. 4. Осциллограммы напряжения, тока и мгновенной мощности при выключении SiC_диода Шоттки
Рис. 4. Осциллограммы напряжения, тока и мгновенной мощности при выключении SiC-диода Шоттки

На рис. 5 показаны осциллограммы напряжения, тока и мгновенной мощности при включении биполярного транзистора IGBT совместно с кремниевым Ultra Fast силовым диодом (температура перехода диода и транзистора 150 °С). При включении биполярного транзистора IGBT ток обратного восстановления силового диода суммируется с током транзистора, в результате чего его пиковое значение достигает 44 А. При этом на IGBT рассеивается пиковая мощность 15 кВт. На осциллограмме напряжения присутствует интенсивный высокочастотный переходной процесс, обусловленный высоким значением di/dt при восстановлении силового диода. Это является источником мощных электромагнитных помех, требующих дополнительных мер по их подавлению.

Рис. 5. Осциллограммы напряжения, тока и мгновенной мощности при включении IGBT совместно с кремниевым Ultra Fast диодом
Рис. 5. Осциллограммы напряжения, тока и мгновенной мощности при включении биполярного транзистора IGBT совместно с кремниевым Ultra Fast силовым диодом

Процесс включения биполярного транзистора IGBT совместно с SiC-диодом Шоттки показан на рис. 6. Условия работы те же, что и в предыдущем случае. Как видно из рисунка, ток IGBT при включении снизился до 22 А при уменьшении рассеиваемой пиковой мощности в 2 раза (до 7,5 кВт). При этом высокочастотный переходной процесс на транзисторе не наблюдается.

Рис. 6. Осциллограммы напряжения, тока и мгновенной мощности при включении IGBT совместно с SiC_диодом Шоттки
Рис. 6. Осциллограммы напряжения, тока и мгновенной мощности при включении биполярного транзистора IGBT совместно с SiC-диодом Шоттки

В таблице 2 и 3 приведены сравнительные параметры переключения при использовании кремниевого Ultra Fast силового диода и SiC-диода Шоттки, измеренные при температуре 25 и 150 °С соответственно. Нетрудно видеть, что полные динамические потери в системе «IGBT + силовой диод» удается снизить на 52% при температуре переходов 25 °С и на 56% — при 150 °С.

Таблица 2. Сравнительные параметры переключения 600 В IGBT при использовании Si Ultra Fast диода и SiC_диода Шоттки. Tj = 25 °C, Iк = 20 А, Uпит = 500 В, Rg = 10 Ом
Таблица 2. Сравнительные параметры переключения 600 В биполярного транзистора IGBT при использовании Si Ultra Fast силового диода и SiC-диода Шоттки. Tj = 25 °C, Iк = 20 А, Uпит = 500 В, Rg = 10 Ом
Таблица 3. Сравнительные параметры переключения 600 В IGBT при использовании Si Ultra Fast диода и SiC_диода Шоттки. Tj = 150 °C, Iк = 20 А, Uпит = 500 В, Rg = 10 Ом
Таблица 3. Сравнительные параметры переключения 600 В биполярного транзистора IGBT при использовании Si Ultra Fast силового диода и SiC-диода Шоттки. Tj = 150 °C, Iк = 20 А, Uпит = 500 В, Rg = 10 Ом

На рис. 7 и 8 показаны осциллограммы токов выключения кремниевого Ultra Fast и карбид-кремниевого диодов и включения биполярного транзистора IGBT при различных температурах переходов. Как следует из рис. 7, пиковый обратный ток SiC-диода не превышает 5 А и не зависит от температуры, в то время как ток обратного восстановления кремниевого диода растет с 13 А при 25 °С до 23 А при 150 °С. Аналогичная ситуация наблюдается и с пиковым током при включении биполярного транзистора IGBT, поскольку ток обратного восстановления силового диода вносит значительный вклад в его общий ток.

Рис. 7. Осциллограммы тока при выключении кремниевого Ultra Fast диода и карбид_кремниевого диода Шоттки
Рис. 7. Осциллограммы тока при выключении кремниевого Ultra Fast силового диода и карбид-кремниевого диода Шоттки
Рис. 8. Осциллограммы тока при включении IGBT совместно с кремниевым Ultra Fast диодом и карбид_кремниевым диодом Шоттки
Рис. 8. Осциллограммы тока при включении биполярного транзистора IGBT совместно с кремниевым Ultra Fast силовым диодом и карбид-кремниевым диодом Шоттки

Зависимости полных динамических потерь от частоты преобразования при температурах 50, 100 и 150 °С с использованием кремниевого Ultra Fast и карбид-кремниевого диодов показаны на рис. 9 и 10. Потери в SiC-диоде Шоттки не только не зависят от температуры, но и по абсолютному значению оказываются намного ниже, чем у кремниевого аналога. Потери в паре «биполярный транзистор IGBT + SiC-диод» имеют значительно меньший температурный коэффициент, что обусловлено отсутствием температурной зависимости вклада обратного тока SiC-диода в общий ток транзистора.

Рис. 9. Зависимость динамических потерь от частоты преобразования кремниевого Ultra Fast диода и карбид_кремниевого диода Шоттки
Рис. 9. Зависимость динамических потерь от частоты преобразования кремниевого Ultra Fast силового диода и карбид-кремниевого диода Шоттки
Рис. 10. Зависимость динамических потерь от частоты преобразования в IGBT совместно с кремниевым Ultra Fast диодом и SiC_диодом Шоттки
Рис. 10. Зависимость динамических потерь от частоты преобразования в биполярном транзисторе IGBT совместно с кремниевым Ultra Fast силовым диодом и SiC-диодом Шоттки

Результаты измерений потерь в биполярном транзисторе IGBT с напряжением 1200 В

Измерения динамических характеристик на классификационном напряжении 1200 В проводились при использовании кремниевого Ultra Fast силового диода 8 А, 1200 В с мягким восстановлением (аналогичного интегральному диоду в общем корпусе с кристаллом IGBT с током коллектора 11 А) и карбид-кремниевого диода Шоттки 5 А, 1200 В типа CSD05120. Потери измерялись при напряжении питания 1000 В и токе коллектора 5 А. Осциллограммы токов и напряжений при переключении во многом аналогичны предыдущему случаю, поэтому приводить их не имеет смысла.

Сравнительные результаты измерений параметров переключения приведены в таблицах 4 и 5 для температур переходов 25 и 125 °С соответственно. Как и в предыдущем случае, полные динамические потери в системе «биполярный транзистор IGBT + силовой диод» удается снизить более чем на 50% при температуре переходов 25 °С и почти на 60% — при 125 °С.

Таблица 4. Сравнительные параметры переключения 1200В IGBT при использовании Si Ultra Fast диода и SiC_диода Шоттки. Tj = 25 °C, Iк = 5 А, Uпит = 1000 В, Rg = 22 Ом
Таблица 4. Сравнительные параметры переключения 1200В IGBT при использовании Si Ultra Fast силовой диода и SiC-диода Шоттки. Tj = 25 °C, Iк = 5 А, Uпит = 1000 В, Rg = 22 Ом
Таблица 5. Сравнительные параметры переключения 1200 В IGBT при использовании Si Ultra Fast диода и SiC_диода Шоттки. Tj = 125 °C, Iк = 5 А, Uпит = 1000 В, Rg = 22 Ом
Таблица 5. Сравнительные параметры переключения 1200 В IGBT при использовании Si Ultra Fast силового диода и SiC-диода Шоттки. Tj = 125 °C, Iк = 5 А, Uпит = 1000 В, Rg = 22 Ом

Статические и суммарные потери

Бытует мнение, что SiC-диоды Шоттки якобы имеют несколько большие потери проводимости при высоких температурах кристалла, чем кремниевые приборы. Однако при корректном сравнении приборов из одной токовой группы, работающих в одинаковых условиях, получается обратный результат. Для иллюстрации этого утверждения на рис. 11 приведены прямые ветви ВАХ диодов, используемых при измерениях в предыдущем разделе. При токе 5 А SiC-диод Шоттки имеет на 0,75 В при 25 °С и на 0,18 В при 125 °С меньшее прямое падение напряжения, чем кремниевый Ultra Fast силовой диод. В результате имеет место определенный выигрыш и по статическим потерям при использовании карбид-кремниевого диода. В заключение приведем результаты измерений суммарных потерь в преобразователе, работающем на частоте 100 кГц. В инверторе применены биполярные транзисторы IGBT с напряжением 1200 В, работающие при среднем токе 2,5 А (5 А в состоянии проводимости, скважность 2). Температура перехода 125 °С, прямое падение на IGBT составляет 2,9 В при токе 5 А. Результаты для пар «биполярный транзистор IGBT + SiC-диод» и «биполярный транзистор IGBT + Ultra Fast Si-диод» приведены в таблице 6. Как следует из таблицы, использование в качестве антипараллельного SiC-диода Шоттки позволило снизить суммарные потери более чем вдвое.

Таблица 6. Сравнительные данные суммарных потерь в инверторе с 1200 В IGBT при использовании Si Ultra Fast диода и SiC_диода Шоттки. Tj = 125 °C, Iк = 5 А, Uпит = 1000 В, Rg = 22 Ом
Таблица 6. Сравнительные данные суммарных потерь в инверторе с 1200 В IGBT при использовании Si Ultra Fast силового диода и SiC-диода Шоттки. Tj = 125 °C, Iк = 5 А, Uпит = 1000 В, Rg = 22 Ом
Рис. 11. ВАХ Si Ultra Fast диода и SiC диода Шоттки
Рис. 11. ВАХ Si Ultra Fast силового диода и SiC диода Шоттки

Заключение

Мы рассмотрели одно из наиболее эффективных применений карбид-кремниевых диодов Шоттки. Полученные результаты говорят сами за себя. Именно за счет возможности радикального снижения потерь и, как следствие, снижения тепловой нагрузки и увеличения надежности многие производители силовых полупроводниковых приборов обращают пристальное внимание на возможность совместного корпусирования кристаллов Si IGBT и SiC-диодов. В настоящее время коммерчески доступные изделия «биполярный транзистор IGBT + SiC-диод» в конфигурациях одиночных приборов, полумостов и однофазных мостов выпускает компания APT, корпусирующая кристаллы Cree. Однако и среди российских производителей IGBT силовых модулей ряд компаний проявляет интерес к подобным приборам. Пока массовое внедрение таких структур тормозится недостаточно большими токами серийных кристаллов карбид-кремниевых диодов Шоттки — 10 А при напряжении 1200 В и 20 А при напряжении 600 В. Хотя благодаря положительному температурному коэффициенту прямого падения напряжения кристаллы SiC-диодов можно включать параллельно без дополнительных выравнивающих компонентов, обеспечивая требуемый прямой ток, такое решение не всегда является экономически приемлемым.

Ситуация может измениться уже в ближайшее время, поскольку компания Cree обещает в конце 2006 года сделать коммерчески доступными карбид-кремниевые диоды Шоттки 600 В, 100 А и 1200 В, 50 А. Кроме того, анонсировано начало производства карбид-кремниевых MOSFET, управляемых тиристоров и высоковольтных p- гпдиодов.

Преимущества полупроводниковых приборов на основе SiC для силовой электроники ярко иллюстрирует недавний совместный проект Cree и Kansai Electric (KEPCO). Ими был разработан и испытан 3-фазный DC/AC-ин-вертор, собранный полностью с применением силовых карбид-кремниевых полупроводниковых приборов. Инвертор мощностью 110 кВ·А разместился в объеме традиционного устройства мощностью 12 кВ·А (рис. 12). В качестве ключевых приборов в нем используются карбид-кремниевые управляемые тиристоры. Инвертор предназначен для преобразования частоты в генераторах ветряных и солнечных электростанций, а также в резервных источниках питания большой мощности.

Рис. 12. 3_фазный DC/AC_инвертор, собранный полностью с применением силовых карбид_кремниевых полупроводниковых приборов (Cree — Kansai Electric)
Рис. 12. 3_фазный DC/AC_инвертор, собранный полностью с применением силовых карбид_кремниевых полупроводниковых приборов (Cree — Kansai Electric)

Литература

  1. Полищук А. Проблемы выбора ключевых транзисторов для преобразователей с жестким переключением // Силовая электроника. 2004. № 2.
  2. Полищук А. Полупроводниковые приборы на основе карбида кремния — настоящее и будущее силовой электроники // Компоненты и технологии. 2004. № 8.
  3. Jim Richmond. Hard Switched Silicon IGBT’s? Cut Switching Losses in Half with Silicon Carbide Schottky Diodes. Cree, Inc. Power Products. 2005.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *