Современные IGBT-продукты для силовой электроники компании Infineon

Рис. 1. Внешний вид IGBT HighSpeed 5

В каталоге компании 2014 г. силовые продукты представлены в следующих категориях: IGBT, MOSFET, микросхемы управления питанием, силовые модули, узлы и системы, ключи верхнего и нижнего плеча, продукты на основе карбида кремния. Силовые приборы также представлены в категориях микросхем для автомобильной электроники, дискретных полупроводниковых приборов, стабилизаторов напряжения и драйверов светодиодов [1].

IGBT-продукты

В данную категорию включены дискретные IGBT с антипараллельными диодами (десятки типов), дискретные приборы семейства HighSpeed 5 и IGBT-модули различных серий, в том числе MIPAQ, CIPOS, SmartPIM, SmartPACK. В категорию также включены IGBT для автомобильных приложений, чипы и приборы без антипараллельных диодов.

Одной из последних новинок компании являются IGBT семейства HighSpeed 5, выполненные по технологии TRENCHSTOP 5 с рабочим напряжением 650 В и током коллектора 8–50 А. Приборы выпускаются в корпусах TO-220, TO-220 FullPAK, TO-247, их внешний вид показан на рис. 1. Компания называет новые транзисторы лучшими в своем классе с точки зрения производительности и эффективности в сочетании с высокой надежностью. Приборы оптимизированы для применения в корректорах мощности и ключах с ШИМ. Они могут быть использованы в источниках бесперебойного питания (ИБП), корректорах коэффициента мощности (ККМ), инверторах для солнечной энергетики и сварочных аппаратах. На рис. 2 показаны структуры IGBT TRENCHSTOP и TRENCHSTOP 5. Основные особенности и преимущества приборов в сравнении с транзисторами предыдущего поколения семейства HighSpeed 3:

• в 2,5 раза меньше заряд затвора и вдвое снижены потери при коммутации;
• на 200 мВ меньше напряжение насыщения и на 50 В больше рабочее напряжение;
• высокие возможные частоты коммутации (до 70 кГц);
• высокая плотность мощности, надежность и мягкие характеристики коммутации;
• время обратного восстановления 50 нс;
• встроенный антипараллельный диод семейства RAPID или диод на основе карбида кремния;
• малая выходная емкость;
• высокая эффективность при малых нагрузках (до 40% от максимальной).

Рис. 2. Структуры транзисторов

Классификационные параметры приборов HighSpeed 5 приведены в таблице 1.

Примечания: приборы IGP, IGW содержат только IGBT, в остальные интегрированы антипараллельные диоды серии RAPID (t_rr от 41 до 52 нс) или SiC; t_ф — время нарастания; t_с — время спада; потери переключения Е_общ включают «хвост» и обратное восстановление диодов; значения параметров действительны при температуре +25 °С.

Рис. 3. Характеристики переключения транзисторов HighSpeed 5

Приборы с окончаниями в названиях F5 и H5 отличаются параметрами переключения. На рис. 3 приведены соответствующие диаграммы токов и напряжений переключения инвертора для преобразования энергии солнечных батарей мощностью 2 кВт в сравнении с характеристиками приборов предыдущего поколения Н3. Приборы исполнений Н5 с диодами типа RAPID оптимизированы для использования их в качестве замены приборов предыдущих поколений — каких-либо изменений схем и режимов не требуется, оптимальная величина резистора в цепи затвора R_{g on} = 5 Ом. Исполнения F5 в сравнении с Н5 отличаются несколько меньшей индуктивностью и применением SiC-диодов, что повышает эффективность преобразователей примерно на 1%, однако для получения нужного эффекта в цепи затвора необходим сплит-резистор (R_{g off}). Потери переключения приборов серии значительно меньше, чем у приборов предыдущих поколений, и сравнимы с потерями полевых транзисторов. На рис. 4 приведены зависимости потерь включения от сопротивления затвора приборов HighSpeed 5 в сравнении с потерями других приборов [2].

Рис. 4. Зависимости энергии потерь включения различных типов приборов от сопротивления в цепи затвора

При использовании приборов в ККМ эффективность преобразования может быть увеличена на 0,6% для исполнений Н5 и на 1,7% для исполнений F5 по сравнению с приборами предыдущего поколения Н3.

Рис. 5. Зависимости эффективности ККМ на различных IGBT от выходной мощности

На рис. 5 показаны зависимости эффективности ККМ с частотой коммутации 70 кГц от выходной мощности для различных типов приборов и различных значений R_{g on}/R_{g off} (рис. 6) [3].

Рис. 6. Схемы включения резистора затворов

IGBT-модули

Рис. 7. Внешний вид одинарного модуля IHV KE3

Номенклатура IBGT-модулей, выпускаемая компанией, чрезвычайно широка, в каталоге 2014 г. представлены одиночные, сдвоенные, полумостовые и трехфазные модули, в состав которых могут входить по нескольку параллельно или последовательно соединенных IGBT с антипараллельными диодами.

Одной из последних разработок компании является серия IHV KE3 (IHV 6,5 кВ) силовых модулей большой мощности на рабочее напряжение 6500 В и рабочие токи 250–750 А. Представленные в 2013 г. приборы серии могут состоять из одного (рис. 7), двух (рис. 8) и трех (рис. 9) параллельно соединенных IGBT с антипараллельными диодами, конфигурации приборов — одиночный ключ (один и три IGBT с диодами), сдвоенный ключ (два IGBT с диодами), чоппер (IGBT с диодом + отдельный диод). В сдвоенных приборах затворы транзисторов соединены, а коллекторы и эмиттеры выведены отдельно, в строенных приборах электроды всех трех транзисторов соединены параллельно, в состав серии также входят диодные модули, состоящие из двух отдельных диодов.

Рис. 8. Внешний вид сдвоенного модуля IHV KE3

Приборы серии выполнены по технологиям Trench Field Stop для IGBT и ECD (Emitter Controlled Diode) для диодов и обеспечивают повышенную производительность за счет уменьшения потерь проводимости, а также большую на 25% плотность тока при использовании стандартных корпусов IHV. Модули удовлетворяют самым высоким требованиям по надежности при циклических режимах работы, что является важнейшим требованием при работе в составе тяговых электроприводов. При производстве приборов используются новые композитные материалы: алюминиевый сплав, армированный частицами карбида кремния (AlSiC), для основания и нитрид алюминия (AlN) для подложки, что улучшает термодинамические свойства и электрическую прочность изоляции.

Рис. 9. Внешний вид строенного модуля IHV KE3

К основным областям применения модулей относятся тяговые частотно-регулируемые преобразователи для железнодорожного транспорта и промышленные преобразователи, питаемые постоянным напряжением 3 кВ и переменным 2,3 кВ. В этих приложениях до недавнего времени использовались GTO и IGCT, использование новых IGBT Infineon вместо них позволяет упростить схемотехнические и конструктивные решения и повысить надежность приводов.

Первичное напряжение 3000 В в тяговых сетях может иметь разброс ±20%, а на практике еще больше из-за рекуперативного торможения. Благодаря своей устойчивости к высоким запирающим напряжениям модули серии надежно выдерживают пики индуктивных перенапряжений, что обеспечивает безопасное отключение при скоростях нарастания тока до 10 кА/мкс и паразитных индуктивностях рассеяния до 200 нГн. Использование модулей также эффективно для промышленных преобразователей, питающих электродвигатели таких приложений, как насосы, вентиляторы, компрессоры, экструдеры и конвейерные системы для металлургической, горнодобывающей, водоочистной, цементной, химической и бумажной промышленности, а также в машиностроении и строительстве.

По присоединительным размерам новые модули IHV 6,5 кВ идентичны уже существующим модулям IHV, что обеспечивает их легкую замену. При проектировании модулей была осуществлена модернизация для получения необходимых величин воздушного зазора и длины пути тока утечки. Модули разработаны в соответствии со стандартом EN50124-1 (категория перенапряжения OV2) исходя из номинального напряжения изоляции 10,2 кВ, при этом воздушный зазор и длина пути тока утечки составили 26 и 56 мм соответственно. Классификационные параметры IGBT-модулей серии IHV 6,5 кВ из каталога компании 2014 г. приведены в таблице 2, значения параметров действительны при Т_j = +125 °С. Основные особенности и параметры модулей (кроме приведенных в таблице 2):

• высокая надежность, удельная мощность и прочность конструкции;
• расширенные диапазоны рабочих температур и хранения — –50(–55)…+125 °С;
• малое напряжение насыщения «коллектор–эмиттер» U_{к нас} — 3 В/3,7 В при Т_vj = +25/+125 °C;
• малое время нарастания/спада импульсов — 0,4/0,5 мкс при Т_vj = +125 °C;
• тепловое сопротивление корпус/теплоотвод — 8,7…26,5 К/кВт (в зависимости от типа прибора).

Особенности других типов силовых IGBT модулей Infineon приведены в [4, 5].

Рис. 10. Внешний вид модуля MIPAQ

В 2012–2013 гг. компания представила новые модификации силовых модулей, выполненных по технологии MIPAQ, ^— MIPAQ base и MIPAQ serve, в то же время выведя из производства модификацию MIPAQ sense. В состав модулей MIPAQ base интегрированы шесть IGBT (три полумоста) с антипараллельными диодами и терморезистор с отрицательным коэффициентом сопротивления, а также балластными резисторами на выходах полумостов (токовые шунты). Модули выполнены в стандартных корпусах ECONO3-4 по технологии IGBT4-T4/E4, внешний вид приборов показан на рис. 10, структура и нумерация выводов приведены на рис. 11.

Рис. 11. Структура модуля MIPAQ base

Силовые модули MIPAQ serve

Модули MIPAQ serve объединяют силовую часть из шести IGBT с антипараллельными диодами, токовыми шунтами, систему управления с электрически изолированным логическим входным интерфейсом и схему цифрового измерения температуры встроенного терморезистора с отрицательным ТКС. Модули выполнены в корпусах MIPAQ-3 (EconoPACK 4), внешний вид приборов показан на рис. 12, упрощенная структура модулей приведена на рис. 13.

Рис. 12. Внешний вид модуля MIPAQ serve

Внешние сигналы управления поступают на входной 22-контактный разъем Х2 типа 87832-22 (Molex-connector). Логические схемы модуля от драйверов верхних и нижних плеч гальванически отделяют специальные трансформаторы без магнитных сердечников (Coreless Transformer, CLT). Положительные и отрицательные напряжения питания IGBT-модуля поступают с силовых шин (DC-Busbar ±), подключенных к силовой сети напряжением до 1200 В. Напряжения смещения на затворы верхних ключей подаются от отдельного изолированного источника питания через 22-контактный разъем Х1 типа 43045-22 (Molex-connector). Основное напряжение питания и нагрузка подключаются к винтовым терминалам с резьбой М6. Основные особенности и параметры модулей:

• шестикомпонентный силовой модуль с блоком электронного управления;
• гальванически изолированный драйвер на основе технологии CLT с интегральным трансформатором без магнитного сердечника;
• цифровой измеритель температуры базовой платы модуля на основе терморезистора NTC;
• несинхронность включения/выключения всех IGBT модуля не более 20 нс;
• рейтинговые напряжения/ток — 1200 В/100 А (IFS100V12PT4), 1200 B/150 A (IFS150V12PT4), 1200 B/200 A (IFS200V12PT4);
• встроенные схемы защиты от перегрева, коротких замыканий, пониженного напряжения всех источников питания, сбоев передачи управляющих сигналов;
• соответствие стандартам IEC61800-5-1 (по гальванической изоляции), UL94, RoHS;
• максимальное напряжение на силовой шине питания — 850 В;
• напряжение насыщения «коллектор–эмиттер» IGBT — 2,1 В (при Т_vj = +150 °C, I_к = 100–200 А);
• энергия потерь включения/выключения E_on/E_off — 21,3/20 мДж (IFS200V12PT4, Т_vj = +150 °C, I_к = 200 А);
• диапазон температур окружающей среды –40…+65 °С, влажность Rel H — 5–85 %;
• виброустойчивость до 12g, ударопрочнось до 10g, класс защиты IP00;
• тепловое сопротивление «кристалл IBGT–корпус» — 0,15 К/Вт.

Рис. 13. Упрощенная структура модуля MIPAQ serve

Рис. 14. Микросхема 1ED020I12-FA

Применяемые методы изоляции драйверов от высоковольтных цепей силовых инверторов с помощью оптронов, трансформаторов и преобразователей уровней в настоящее время дополняются использованием интегральных трансформаторов без сердечников (CLT). Разработка технологии таких трансформаторов в компании Infineon была направлена на использование достоинств традиционных решений и в то же время устранение присущих им недостатков. К основным достоинствам CLT относятся: обеспечение высокого качества изоляции, гарантирующее абсолютную надежность на протяжении всего срока эксплуатации; миниатюрные размеры; хорошая совместимость с логическими схемами управления; стойкость к электромагнитным помехам со значительной скоростью нарастания напряжения; невысокая стоимость производства. Особенности, параметры, методика расчета печатных трансформаторов без сердечника в приложении к драйверам затворов подробно описаны в статье, опубликованной в журнале IEEE Circuits and Systems [6].

Первая микросхема драйвера на основе CLT компании с запатентованным логотипом EiceDRIVER — 1ED020I12-FА (рис. 14) была представлена в 2007 г. Позже был выпущен сдвоенный драйвер 2ED020I12-FI. Микросхемы семейства EiceDRIVER (ED, ED-C, ED-E, ED-S) обеспечивают гальваническую развязку и двунаправленную передачу сигналов с очень малыми задержками распространения и высокую надежность при работе в экстремальных условиях эксплуатации.

Рис. 15. Структура микросхемы 2ED020I12-FI

Микросхема 2ED020I12-FI, выполненная в DIP-корпусе PG-DSO-18-2 с габаритами 12,8×7,6×2,45 мм, характеризуется следующими основными параметрами: полный диапазон рабочих напряжений ±1200 В; напряжение питания 14–18 В; выходной ток драйверов затворов от +1 до –2 А; совместимость с входными ТТЛ-уровнями 3,3 и 5 В. Структура микросхемы приведена на рис. 15, аналогичные структуры драйверов применены и в модулях MIPAQ serve (EiceDRIVER, T1–T3, B1–B3 на структурной схеме рис. 16).

Рис. 16. Структура модуля MIPAQ serve

Модули SmartPIM и SmartPACK

Рис. 17. Монтаж модулей SmartPIM, SmartPACK

В 2013 г. компания запустила в производство несколько новых типов силовых модулей семейства SmartPIM и SmartPACK. Эти приборы позволяют реализовывать более дешевые, компактные и технологичные преобразователи за счет упрощения процесса их монтажа и повышения надежности. Новые модули используют уже известную технологию монтажа PressFIT (без пайки) в сочетании с усовершенствованной технологией корпусирования. Надежность контактов модулей со втулками печатных плат обеспечивается за счет отсутствия доступа воздуха (газа) в зону контакта, и тем самым обеспечивается отсутствие коррозии со снижением проводимости при длительной эксплуатации и термоциклировании. В результате интенсивность отказов контактных соединений, выполненных по технологии PressFIT, в несколько раз меньше, чем при использовании пайки. Составные части корпусов модулей обеспечивают высокую надежность при монтаже и последующей эксплуатации. Монтаж производится практически за одну операцию — выводы типа PressFIT модулей подключаются к печатной плате, сама плата при этом фиксируется, а модуль монтируется на радиатор и прижимается фиксирующей крышкой, вся сборка закрепляется одним винтом — так, как показано на рис. 17. Модули рассчитаны на номинальные токи до 75 А в конфигурации Pack и до 35 А в конфигурации PIM при напряжениях 600 и 1200 В. Для обеспечения низкого теплового сопротивления подложка модулей выполнена из оксида алюминия.

В каталоге компании 2014 г. представлены следующие типы модулей:

• FS75R07U1E4 — 650 B/75 A;
• FS50R07U1E4 — 650 B/50 A;
• FP50R07U1E4 — 650 B/50 A;
• FP35R12U1T4 — 1200 B/35 А;
• FP30R07U1E4 — 650 B/30 A;
• FP25R12U1T4 — 1200 B/25 A.

Рис. 18. Структура модулей исполнений FS

В приборы FS интегрированы шесть IGBT (Trench IGBT 4) с антипараллельными диодами, терморезистор с отрицательным ТКС (рис. 18); в приборы FP — шесть IGBT с антипараллельными диодами, терморезистор с отрицательным ТКС и трехфазный выпрямительный мост (рис. 19). Все модули выполнены в одинаковых корпусах, их габаритные чертежи приведены на рис. 20, фиксирующая крышка в состав модулей не входит и заказывается отдельно. Основные особенности и параметры приборов:

• простой, безопасный и быстрый монтаж;
• высокая надежность и стойкость к термоциклированию;
• отсутствие влияния газов и паров на надежность контактных пар (выводы модулей/пистоны печатных плат);
• максимальная мощность рассеяния IGBT при T_vj = +175 °C — 275 Вт (для FS75R07UE4);
• напряжение насыщения U_{ce sat} — 1,75 В (T_vj = +150 °C, I_к = 75 А);
• заряд затвора Q_g — 0,75 мкКн (U_ge = ±15 В), входная емкость — 4600 пФ;
• время нарастания/спада на индуктивной нагрузке — 0,026/0,067 мкс (T_vj = +150 °C, I_к = 75 А);
• энергия включения/выключения на импульс E_on/E_off — 1,05/3,15 мДж (T_vj = +150 °C, I_к = 75 А);
• тепловое сопротивление переход/корпус — 0,5 К/Вт;
• напряжение изоляции — 2500 В, RMS/50 Гц.

Рис. 19. Структура модулей исполнений FP

Рис. 20. Габаритный чертеж модулей SmartPIM, SmartPACK

Основные области применения модулей: промышленный привод, ИБП (UPS), источники питания, солнечные инверторы, системы кондиционирования, сварка, индукционный нагрев.