Повышение эффективности силовой электроники за счет совершенствования конструкции IGBT-транзисторов

Требования к энергетической эффективности, устанавливаемые регулирующими органами различных стран, заставляют разработчиков применять самые эффективные силовые полупроводниковые приборы и выбирать интеллектуальные системные решения, чтобы соответствовать современным стандартам. В фотоэлектрических (PV) устройствах, таких как, например, солнечные инверторы, любая доля процента повышения КПД обращается уменьшением счетов за энергопотребление или меньшим временем подключения к электрической сети общего пользования. В то же время стоимость самого преобразователя должна соответствовать все сокращающейся стоимости собственно солнечных батарей. В потребительских приложениях, таких как устройства управления двигателем для различной бытовой техники, особо важную роль играет цена изделия, являющаяся ключевой характеристикой в условиях высококонкурентного рынка. В современных сплит-системах кондиционирования воздуха, имеющих мощность более 1 кВт, для снижения потерь необходимо вводить корректоры коэффициента мощности (Power Factor Correction — PFC, ККМ). В данном случае, чтобы выиграть в конкурентной борьбе на потребительском рынке, необходимо добиваться высокого КПД такого корректора при сохранении минимальной стоимости.

Точно так же новые требования предъявляются и к устройствам промышленного назначения: например, в Китае для уменьшения воздействия на электрические сети со стороны мощных импульсных источников питания и снижения реактивной мощности вводится требование об оснащении портативных сварочных аппаратов корректорами коэффициента мощности (ККМ). В подобных устройствах использование высокой частоты переключения AC/DC-преобразователей позволяет значительно уменьшить габариты и вес выходных фильтров и аппаратуры в целом. Снижение потерь на переключение в IGBT позволяет понизить рабочую температуру преобразователей, что обеспечивает более длительный срок службы устройств, работающих в жестких условиях окружающей среды.

Перечисленные выше общие тенденции развития силовых электронных устройств требуют внедрения новых технологий, характеризующихся меньшими удельными потерями (Вт/мм²) при той же или меньшей удельной стоимости полупроводниковых приборов (стоимость кристалла/мм²). Однако для учета конкретных требований различных приложений новые технологии должны допускать варьирование определенных характеристик.

Для удовлетворения указанных запросов компания Infineon разработала новую технологическую платформу, названную TrenchStop 5, которая характеризуется специальной конструкцией ячеек и сверхмалой толщиной полупроводниковых пластин, что позволяет одновременно снизить потери на проводимость и на переключение. Последний вариант данной технологии — HighSpeed 5 — предназначен для быстродействующих устройств, в частности ККМ или повышающих преобразователей, а также преобразователей напряжения для солнечных источников энергии, ИБП и DC/DC-преобразователей для сварочных аппаратов. На рис. 1 показана конструкция новых IGBT в сравнении с IGBT предыдущих поколений.

Рис. 1. HighSpeed 5 по сравнению с IGBT-ключами Infineon предыдущих поколений

В настоящее время разрабатываются дополнительные разновидности этой технологии, такие как версия R, предназначенная для резонансных преобразователей, применяемых в индукционных кухонных печах, и версия L с низким напряжением насыщения, ориентированная в основном на использование в солнечных инверторах.

Сегодня существует две версии технологии HighSpeed 5, что расширяет возможности разработки для конечного пользователя:

• HighSpeed 5 H: рассчитана на непосредственную замену приборов, выпускавшихся по технологии HighSpeed 3. Результатом такой замены является заметное повышение эффективности, при этом не требуется никаких изменений в конструкции.
• HighSpeed 5 F: обеспечивает дополнительное по сравнению с версией H снижение потерь на переключение, однако требует использования отдельных резисторов R_gon и R_goff в драйвере силового каскада. Эти приборы наилучшим образом подходят для применения в конструкциях с низкими паразитными индуктивностями в цепи коммутации и в сочетании с SiC-диодами Шоттки, установленными, например, как повышающие диоды в активных схемах ККМ.

Различие характеристик переключения для версий H и F иллюстрируется на рис. 2, где показаны осциллограммы выключения разработанного компанией 2-кВт преобразователя с мостовой топологией.

Рис. 2. Осциллограммы тока и напряжения при выключении ключей H5 и F5 по сравнению с ключами предыдущего поколения H3 в 2-кВт инверторе солнечной батареи

Версия H5 обеспечивает бóльшую скорость нарастания напряжения, чем H3, что снижает потери на переключение. Однако характеристика изменения тока аналогична таковой для ключей, выполненных по технологии H3. Заметен выброс хвостового тока в пределах деления временной шкалы (20 нс). Технология F5 также позволяет уменьшить время включения и дополнительно ускорить падение тока при выключении. Это соответствует еще большему снижению потерь на переключение, но, с другой стороны, приводит к возникновению добавочного выброса напряжения за счет паразитных индуктивностей. В нашем случае изменение тока со скоростью 900 А/мкс вызывает появление выброса напряжения почти в 100 В, что соответствует величине паразитной индуктивности примерно 110 нГн. Чтобы снизить величину выброса до более приемлемого значения, составляющего 50 В, необходимо снизить паразитную индуктивность проводников печатной платы до 30–50 нГн. Для этого целесообразно использовать многослойную печатную плату, а также компоненты или модули для поверхностного монтажа, обладающие минимальной индуктивностью выводов. Выбросы напряжения увеличиваются по мере роста тока нагрузки, вследствие чего придется либо идти на некоторое превышение допустимых параметров, либо соединить несколько приборов параллельно. Наконец, снизить выбросы при выключении можно за счет увеличения сопротивления R_goff, включаемого последовательно с затвором IGBT, поэтому использование отдельных резисторов R_gon и R_goff (для включения и выключения) в драйвере силового каскада является предпочтительным для приборов версии F, причем сопротивление при включении ключа необходимо удерживать как можно меньшим, чтобы сократить уровень электромагнитного излучения (EMI), а сопротивление при выключении — повысить для снижения выброса напряжения до обычной величины, как правило, составляющей 80% от максимально допустимого значения V_brces.

Технология HighSpeed 5 имеет существенно лучшие характеристики по сравнению с предыдущей версией — HighSpeed 3 — по целому ряду параметров: меньшие потери на проводимость, большее допустимое напряжение, меньшие потери при переключении и емкостные потери, более низкий заряд затвора (рис. 3, 4). Все это приводит к значительному улучшению соотношения напряжения насыщения «коллектор-эмиттер» (V_cesat) и энергии выключения (E_off) по сравнению с предыдущим поколением 600-В IGBT-ключей, как показано на рис. 3.

Рис. 3.
а) Сравнение электрических параметров;
б) зависимость энергии выключения Eoff от напряжения насыщения Vcesat (справа) для технологий TrenchStop, HighSpeed 3 и HighSpeed 5

Тестирование в корректорах коэффициента мощности

Мы оценили преимущества новой технологии при помощи различных испытаний. На рис. 4 показаны измеренные значения КПД для испытательной платы 1-кВт ККМ, работающего в режиме непрерывных токов (CCM), в которой сравнивались IGBT, созданные по технологии HighSpeed 5 (H5), с IGBT предыдущего поколения HighSpeed 3 (H3), а также с IGBT конкурентов, обычно используемыми в этих устройствах. Частота переключения составляла 60 кГц.

Рис. 4. КПД и температура корпуса ключей (при максимальной мощности) в испытательной плате 1-кВт ККМ

Технология HighSpeed 5 продемонстрировала повышение КПД на 0,5% по сравнению с HighSpeed 3 и на 1% — по сравнению с лучшим из конкурирующих IGBT-ключей.

Схема ККМ является обязательной составной частью AC/DC-преобразователя для электродвигателя, работающего в современных сплит-системах кондиционирования воздуха мощностью более 1 кВт. Считая, что средняя загрузка системы кондиционирования составляет 50%, а КПД преобразователя — 95%, получим, что использование ключей, созданных по технологии HighSpeed 5, позволит в каждом проданном кондиционере сэкономить в среднем 5 Вт потребляемой мощности. Учитывая, что только четыре главных поставщика кондиционеров в Китае производят около 25 млн кондиционеров в год, это позволит лишь в данной стране сэкономить мощность примерно 100 МВт, что соответствует 430 млн кВт·ч в год при использовании кондиционера на 50%.

Описанный ККМ может работать на относительно высокой частоте 60 кГц, в то время как устройства, оснащенные обычными IGBT, функционируют на частоте 20 кГц. Это способствует значительному сокращению размеров дросселя ККМ, что заметно уменьшит его стоимость. Еще более интересно влияние на тепловые режимы: за счет существенного снижения рассеиваемой мощности использование IGBT в корпусе TO-220 дает меньшую температуру корпуса по сравнению с IGBT предыдущих поколений, выпускаемых в намного бóльших корпусах типа TO-247 (снижение составляет до 30 °С по сравнению с лучшей продукцией конкурентов, при мощности 800 Вт). Таким образом, разработчики имеют возможность сэкономить место на печатной плате благодаря меньшим размерам корпуса, снизить требования к охлаждению и, в конце концов, заметно снизить стоимость конструкции в целом.

Тестирование в преобразователе для солнечной батареи

Прежде чем мы перейдем к рассмотрению реального устройства, попробуем оценить основные преимущества, которыми обладает новая технология H5 по сравнению с предыдущей H3-технологией в плане снижения потерь. На рис. 5 показаны полные потери на переключение в расчете на один IGBT в зависимости от частоты переключения при простейших условиях: ток прямоугольной формы с амплитудой 20 А и коэффициентом заполнения 50%, температура перехода +100 °C.

Рис. 5. Зависимость рассеиваемой мощности от частоты переключения

При частоте переключения 20 кГц, обычно используемой в современных конструкциях преобразователей, полные потери в расчете на один IGBT падают с 32,8 Вт для HighSpeed 3 до 25,04 Вт для HighSpeed 5, что соответствует их снижению примерно на 24%. Более того, если заменить обратно включенный диод на SiC-диод Шоттки второго поколения компании Infineon, можно добиться дополнительного 11%-го сокращения потерь. Это позволяет либо повысить выходную мощность преобразователя при той же допустимой температуре прибора, либо увеличить частоту переключения преобразователя, как будет показано далее.

Для конкретного устройства с заданной конструкцией теплоотвода силовой части допустимый уровень полных тепловых потерь определяется размерами теплоотвода, условиями вентиляции, а также конфигурацией силовых приборов, магнитных компонентов и т. д. В то же время температура переходов всех силовых полупроводниковых компонентов не должна превышать заданные пределы, составляющие обычно 80% от максимально допустимой T_jmax. Это означает, что допустимая рассеиваемая мощность для каждого отдельного прибора также ограничена.

Возьмем типичные значения, составляющие 40 Вт для стандартного корпуса TO-247, и такие же параметры нагрузки, как в упомянутом примере (ток прямоугольной формы с коэффициентом заполнения 50%) для 40-А прибора. Максимальная рабочая частота для IGBT-технологии HighSpeed 3, соответствующая температуре перехода +100 °C, составит 28 кГц.

Для сравнения, при использовании IGBT-ключа HighSpeed 5 максимальная рабочая частота может быть повышена до 50 кГц. При такой частоте снижение стоимости и повышение надежности, достигаемые за счет уменьшения размеров и веса моточных компонентов и возможности сокращения и даже полного исключения в некоторых случаях электролитических конденсаторов, существенно превосходят по значимости некоторое усложнение конструкции (обеспечение отвода тепла, оптимизация размещения компонентов и т. д.). Это особенно важно для таких устройств, как солнечные батареи или источники бесперебойного питания, в которых стоимость пассивных компонентов составляет основную часть цены покупных материалов.

Для проверки сделанных выше умозаключений были проведены испытания преобразователя для солнечной батареи, сконструированного в институте Фраугофера. Преобразователь был построен по топологии HERIC с использованием 6 сдвоенных IGBT-ключей и 2 отдельных диодов. При замене IGBT-ключей, выполненных по технологии HighSpeed 3, ключами НighSpeed 5 при частоте 16 кГц было зафиксировано повышение КПД на 0,2%, причем абсолютное значение КПД составило 98,3%.

Рис. 6. Измерение КПД преобразователя солнечной батареи при топологии HERIC (по данным института Фраугофера)

В другом испытании применение ключей H5 позволило утроить тактовую частоту с 16 до 48 кГц при сохранении прежнего или более высокого КПД по сравнению с использованием ключей предыдущего поколения HighSpeed 3 во всем диапазоне нагрузок, что еще раз подтвердило правильность расчетов (рис. 6).