Больше мощности с технологией RC-IGBT

В течение многих лет рыночный спрос на силовые полупроводники постоянно растет и требует миниатюризации силовых преобразовательных систем, снижения затрат и повышения производительности. Увеличение производительности достигается за счет повышения выходной мощности при заданном размере корпуса, что неизбежно сопровождается ростом температуры. В результате возрастает риск сокращения срока службы прибора из-за уменьшения стойкости к активному термоциклированию при повышенных температурах.

Рис. 1. Конструктив PrimePACK3+ с двумя характерными выходными терминалами

Отвечая на эти вызовы, компания Fuji Electric разрабатывает чипы и корпуса, способные обеспечивать более высокие уровни производительности. Несколько лет назад компания представила серию X модулей с чипами IGBT 7-го поколения. Они отличаются большой плотностью мощности и высокой надежностью за счет снижения потерь. Кроме того, Fuji Electric разработала технологию RC-IGBT, которая объединяет IGBT и FWD в одном чипе. Это позволяет не только уменьшить количество кристаллов и их площадь при сохранении того же номинального тока, но и обеспечить более высокие токи. В результате сочетание технологии серии X с RC-IGBT позволяет увеличить номинальный ток при том же размере корпуса и снизить рассеиваемую мощность (рис. 2). Надежность RC IGBT превышает уровень обычных IGBT. В этой статье Fuji Electric представляет модули PrimePACK 3+ с номинальным напряжением 1700 и 1200 В для промышленных применений.

Рис. 2. Состав модулей X-серии RC-IGBT и эквивалентные схемы

Технология RC-IGBT

Технология RC-IGBT подразумевает сочетание областей IGBT и FWD с подходящей структурой на одном чипе. Доля активной зоны в общей площади кристалла увеличивается, поскольку происходит относительное уменьшение краевых областей чипа, что создает больше места в корпусе модуля для размещения более крупных кристаллов и дальнейшего повышения тока. Еще одно преимущество заключается в том, что увеличенная площадь чипа снижает тепловое сопротивление «кристалл-корпус» R_th(j-c). Большая активная площадь действует как тепловая буферная зона: тепло, выделяемое в зоне IGBT, передается в область FWD и наоборот. За счет этого интегральная характеристика I²t RC-IGBT в 3,8 раза выше, чем у предыдущего поколения серии V (рис. 3).

Рис. 3. Интегральная характеристика I2t при +150 °C

Эпюры переключения (рис. 4–6), полученные при повышенной температуре +150 °C, подчеркивают плавную работу чипов RC-IGBT. Пиковые токи перегрузки и перенапряжения незначительны, уровень осцилляций очень ограничен. Хвостовой ток довольно мал, что предотвращает генерацию высоких потерь при отключении.

Рис. 4. Процесс включения при +150 °C. Плавный характер изменения VCE и IC без заметных осцилляций

Рис. 5. Процесс выключения при +150 °C. Небольшой хвостовой ток предотвращает высокие потери

Рис. 6. Процесс обратного восстановления при +150 °C с очень низкими осцилляциями

Примером использования RC-IGBT, демонстрирующим преимущества этой технологии, служит крупномасштабная сетевая фото­электрическая (PV) система. Как правило, для увеличения выходного тока PV-конвертера силовые IGBT-модули соединяются в параллель. Такая топология требует большого системного пространства и хорошей конструкции, обеспечивающей наименьший дисбаланс тока. Фотоэлектрические преобразователи обычно работают при относительно постоянной мощности. В системах, где ранее использовались два модуля PrimePACK с током 1400 А, можно установить один RC-IGBT на 2400 А, что позволяет сократить занимаемую площадь на 50%. Моделирование и практический опыт применения подчеркивают достоинства новой технологии.

При запуске двигателя приводы высокой мощности работают на низкой выходной частоте. Для инвертора это наиболее критическая фаза, поскольку нагрузка на один чип преобладает в течение довольно длительного времени. Возникающие в результате высокие перепады температуры создают тепловой стресс на соединениях проводников чипов, такая циклическая нагрузка в конечном итоге сокращает срок службы. Применение технологии RC-IGBT с большей относительной площадью чипов позволяет значительно уменьшить градиенты температур и, соответственно, увеличить ресурс. Если в схеме используется два параллельных IGBT-модуля серии V (6-го поколения), их можно заменить одним RC-IGBT серии X, что увеличивает срок службы.

В ветроэнергетических системах входная энергия ветра преобразуется дважды с помощью силовой электроники. На стороне генератора инвертор трансформирует АС-напряжение, вырабатываемое при вращении ветряной турбины, в энергию постоянного тока. Вращение турбины начинается медленно, при этом силовые ключи IGBT и FWD находятся под высокой нагрузкой. Чипы RC-IGBT способны предотвратить высокотемпературные колебания. На стороне сети энергия преобразуется обратно в АС-напряжение, которое подается в промышленную сеть. Обе стороны силового преобразователя выполняют разные роли, поскольку их функции также различны, однако потребность в более высокой производительности объединяет AC/DC- и DC/AC-конвертеры. Технология RC-IGBT позволяет увеличить выходной ток системы до 165% по сравнению с предыдущими решениями на компонентах серии V (рис. 7, 8). Сравнение рабочих режимов модуля IGBT 7-го поколения с током 1800 А с модулем RC-IGBT на 2400 А подчеркивает больший срок службы силовых ключей RC-IGBT. Снижение перепадов температуры при том же выходном токе значительно увеличивает надежность системы.

Рис. 7. Условия вычислений: f_c = 3 кГц, f_o = 50 Гц, V_cc = 600 В, p_f = 0,9, m = 1,0, R_G = ±0,22 Ом (X), ±1 Ом (V), R_th(s-a) = 0,006 K/Вт, R_th(c-s) = 0,0014 K/Вт, T_a = +50 °C. Расчеты показывают сравнение T_vj(max) и I_o модулей серии V и X RC-IGBT при непрерывной работе

Рис. 8. Вверху: нарастание выходной частоты и пульсации температуры ∆T_vj при пуске мотора. Условия вычислений: f_c = 3 кГц, fo = 1 Гц, V_cc = 600 В, p_f = 0,9, m = 0,01, R_G = ±0,22 Ом (X), ±1 Ом (V), R_th(s-a) = 0,006 K/Вт, R_th(c-s) = 0,0014 K/Вт, T_a = +50 °C.
Внизу: переход из низкочастотного пуска в непрерывный режим

Другой подход к использованию RC-IGBT PrimePACK состоит в уменьшении суммарной занимаемой площади за счет замены 16 модулей 600 A Dual XT на четыре модуля 2400 A RC-IGBT PrimePACK (рис. 9). При этом понадобится меньше драйверов, что облегчает управление системой, кроме того, занимаемая площадь сокращается до 40% от первоначальной. Эта тенденция к снижению размеров будет расширяться с увеличением линейки корпусов RC-IGBT.

Рис. 9. Вверху: сравнение кривых изменения температуры кристаллов модуля 7-го поколения серии X 1800 A и модуля RC-IGBT 2400A, также использующего IGBT X 7-го поколения. У RC-IGBT наблюдается меньший рост температуры при том же выходном токе. Условия вычислений: f_c = 3 кГц, fo = 5 Гц, V_cc = 1200 В, p_f = –0,9, m = 1, стандартное значение R_G, R_th(s-a) = 0,0047 K/Вт, R_th(c-s) = 0,0014 K/Вт, T_a = +35 °C.
Внизу: сравнение кривой термоциклирования показывает увеличение статистического ожидаемого срока службы 2400 ARC-IGBT

Модули Fuji Electric PrimePACK предназначены для промышленного применения, они обеспечивают номинальный ток до 2400 А при рабочем напряжении 1700 и 1200 В (табл.). По сравнению с обычной технологией серии X достигнуто увеличение номинальной выходной мощности на 33%. Поскольку коммутация тока 2400 А является сложной задачей из-за большого тепловыделения на выходных терминалах, был выбран корпус PrimePACK 3+ с двумя силовыми выводами. Увеличение выходной мощности RC-IGBT способствует повышению производительности систем преобразования энергии. Возможность работы с более высокими токами в пределах одного конструктива способствует постоянной миниатюризации систем. Fuji Electric предлагает технологию RC-IGBT в корпусе PrimePACK 3+ для удовлетворения потребностей рынка, направленных на повышение безопасности и надежности.

Примечание. PrimePACK — зарегистрированная торговая марка Infineon Technologies AG, Германия