Управление частотными свойствами IGBT на напряжение 1200В с использованием электронного облучения

№ 5’2014
PDF версия
Представлены результаты экспериментальных исследований возможности управления частотными свойствами IGBT на напряжение 1200 В с инжекционным обогащением производства российских компаний ОАО «Ангстрем» и ОАО «Электровыпрямитель». Показано, что с помощью облучения кристаллов IGBT высокоэнергетичными электронами можно существенно улучшить динамические параметры отечественных IGBT-модулей, расширить области их применения.

Введение

В последние годы бурно развивается рынок преобразовательного оборудования, в котором в качестве силовых полупроводниковых ключей используются IGBT-транзисторы. В зависимости от назначения этого оборудования частота переключения транзисторов может находиться в диапазоне от единиц до сотен килогерц. И в каждом конкретном случае изготовителю полупроводниковых приборов приходится решать задачу, как свести к минимуму суммарную мощность потерь, выделяющейся в приборе, находя компромисс между статическими и динамическими параметрами транзистора.

Известным методом оптимизации потерь проводимости и выключения в технологии силовых полупроводниковых приборов, работающих на повышенных частотах, является радиационное легирование. Оно осуществляется путем контролируемого введения в полупроводник центров рекомбинации, например с помощью облучения электронами высокой энергии и последующей термической обработки. Варьируя дозу облучения электронами, можно прецизионно управлять концентрацией рекомбинационных центров и, соответственно, временем жизни неосновных носителей заряда τ в базовых областях полупроводниковых приборов [1]. Пример эффективного использования электронного облучения с равномерным распределением времени жизни для снижения суммарной мощности потерь и максимальной рабочей температуры кремниевой структуры силового диода при работе на повышенных частотах описан в работе [2].

В настоящей статье показана возможность управления частотными свойствами IGBT с помощью электронного облучения на последнем этапе технологического цикла изготовления кристаллов IGBT, предложены отечественные высокочастотные IGBT-модули на напряжение 1200 В, оптимизированные для работы на частотах 20–25 кГц и выше.

 

Облучение электронами

Облучение исследуемых IGBT-структур высокоэнергетичными электронами было выбрано как наиболее доступное и широко используемое в отечественной практике средство регулирования времени жизни носителей заряда в высокоомных базовых областях силовых полупроводниковых приборов.

Исследования взаимосвязи параметров IGBT с дозой облучения электронами проводились на кристаллах транзисторов с размерами 10×10 мм на напряжение VCE = 1200 В, изготовленных компанией ОАО «Ангстрем» по технологии NPT+ (V1) [3]. Особенность данной технологии состоит в том, что под эмиттерные ячейки вводится дополнительный n-слой, повышающий концентрацию плазмы на эмиттерной стороне транзистора [4]. Это приводит к резкому снижению напряжения насыщения (на планарных NPT до 1 В) и повышению стойкости транзисторов к токам короткого замыкания.

Кристаллы IGBT облучались электронами с энергией 6–7 МэВ на ускорителе электронов «Электроника У-003» с различной дозой облучения. Измерения времени жизни носителей заряда в n-базе транзистора выполнялись разностным методом на установке ПКВtp-20 при комнатной температуре. На рис. 1 представлена зависимость времени жизни неосновных носителей в n-базе IGBT от дозы электронного облучения. Времена жизни на данном рисунке показаны в относительных единицах (t/t0), где t0 — исходное время жизни в кремниевых структурах IGBT, t — время жизни в тех же структурах после каждой дозы облучения, Ф — доза облучения.

Зависимость времени жизни неосновных носителей заряда t в n-базе NPT+ IGBT на напряжение 1200 В от дозы облучения электронами Ф

Рис. 1. Зависимость времени жизни неосновных носителей заряда t в n-базе NPT+ IGBT на напряжение 1200 В от дозы облучения электронами Ф

Исследования облученных образцов IGBT показали, что с увеличением дозы облучения электронами наблюдается существенное уменьшение времени жизни носителей заряда. Причем облучение электронами с дозой 2×1013 см-2 дает снижение t в 2 раза по сравнению с исходным значением времени жизни. Дальнейшее трехкратное увеличение дозы облучения электронами приводит к снижению времени жизни на 60%.

 

Результаты измерений

Статические параметры

Кристаллы IGBT (облученные электронами и не облученные) собирались в беспотенциальные модули, выполненные по 2-ключевой схеме. Использовался унифицированный корпус MI3 размером 94×34×30 мм, в котором размещались два кристалла NPT+ IGBT и два кристалла FRD на 1200 В, собранные по схеме полумоста.

Были измерены статические и динамические параметры, энергия потерь при переключении транзисторов, устойчивость к выключению двойного тока (RBSOA), току короткого замыкания (SCSOA). Измерения и исследования параметров и характеристик NPT+ IGBT производились на внешних выводах силовых модулей. Измерения учитывали падения напряжения на кристаллах, металлизации керамических плат, алюминиевой проволоке, медных перемычках и силовых выводах. Исследования статических и динамических параметров кристаллов в IGBT-модулях проводились в предельных режимах при комнатной и повышенной температурах. На рис. 2 показана типичная зависимость напряжения насыщения VCE(sat) транзистора NPT+ IGBT на напряжение 1200 В от дозы электронного облучения. Измерения проведены при токе коллектора 50 А, температуре 25 °С. Из полученной кривой взаимосвязи VCE(sat) = f(Ф) видно, что в исследуемом диапазоне доз (1–5)×1013 см-2 пятикратное увеличение дозы облучения электронами приводит к росту напряжения насыщения не более чем на 35%.

Зависимость напряжения насыщения транзистора NPT+ IGBT на напряжение 1200 В от дозы электронного облучения. IC = 50 А, T = 25 °С

Рис. 2. Зависимость напряжения насыщения транзистора NPT+ IGBT на напряжение 1200 В от дозы электронного облучения. IC = 50 А, T = 25 °С

Динамические параметры

Поведение транзисторов при переключении изучалось в испытательной полу­мостовой схеме с индуктивной нагрузкой [3], в которой в качестве ключей использовались исследуемые IGBT, а оппозитные диоды FRD оставались неизменными, независимо от доз облучения IGBT.

Как и ожидалось, облучение кристаллов IGBT электронами оказало незначительное влияние на процесс включения транзисторов и, соответственно, на все временные параметры и энергию потерь при включении. В то же время характеристики выключения транзисторов после облучения электронами претерпели радикальные изменения.

На рис. 3 представлены осциллограммы токов и напряжений при выключении необлученных транзисторов (рис. 3а) и транзисторов, облученных электронами с дозой 5,3×1013 см-2 (рис. 3б).

Характеристики выключения NPT+ IGBT: без облучения и с облучение электронами с дозой Ф = 5,3×1013 см-2 (режим измерения: VCC = 600 В, IC = 50 А, RG = 15 Ом, Tj = 125 °C)

Рис. 3. Характеристики выключения NPT+ IGBT:
а) без облучения;
б) облучение электронами с дозой Ф = 5,3×1013 см-2 (режим измерения: VCC = 600 В, IC = 50 А, RG = 15 Ом, Tj = 125 °C)

Из рис. 3 видно, что после облучения транзисторов время спада и величина хвостового тока коллектора ISZ при выключении IGBT резко уменьшились, а на кривых тока и напряжения (рис. 3б) появились осцилляции, характерные для высокочастотных транзисторов с быстрыми переходными процессами тока. Кроме того, вследствие увеличения скорости спада коллекторного тока diС/dt после облучения, пик перенапряжения DVCE, вызванный паразитной рассеянной индуктивностью контура коммутации Ls, увеличился с 120 В (рис. 3а) до 200 В (рис. 3б). При этом результирующее напряжение при выключении IGBT имеет максимум:

VCEmax = VDC + DVCE = VDC + Ls·

На рис. 4 показаны кривые зависимости динамических параметров транзисторов NPT+ IGBT на напряжение 1200 В от дозы облучения электронами. Из полученных кривых следует, что время задержки включения td(on) и время нарастания тока коллектора tr при включении IGBT, а также время задержки при выключении транзисторов td(off) практически не изменяются после облучения электронами в исследуемом диапазоне доз облучения. Совершенно иначе ведет себя время спада тока коллектора tf при выключении транзистора. Оно резко (почти в 3 раза) уменьшается с увеличением дозы облучения электронами с нуля до 5,3×1013 см-2.

Зависимость времен задержки включения td(on) и выключения td(off), времени нарастания тока при включении tr и времени спада тока при выключении tf транзистора NPT+ IGBT на напряжение 1200 В от дозы электронного облучения (режим измерения: IC = 50 А, VCC = 600 В, RG = 15 Ом, Т = 125 °C)

Рис. 4. Зависимость времен задержки включения td(on) и выключения td(off), времени нарастания тока при включении tr и времени спада тока при выключении tf транзистора NPT+ IGBT на напряжение 1200 В от дозы электронного облучения (режим измерения: IC = 50 А, VCC = 600 В, RG = 15 Ом, Т = 125 °C)

Энергия потерь при переключении

Наибольший практический интерес представляет зависимость энергии потерь при переключении транзисторов от дозы облучения электронами. Энергия динамических потерь за один импульс рассчитывается как интеграл мгновенной мощности, определяемой из характеристик переключения транзистора путем перемножения кривых iC = f(t) и vCE = f(t):

Формула

где Eon, Eoff — энергии потерь в IGBT соответственно при включении и выключении IGBT. Следовательно, полная энергия потерь при переключении транзистора:

Esw = Eon + Eoff.

На рис. 5 представлены зависимости энергии потерь в одном кристалле транзистора NPT+ IGBT при коммутации тока коллектора 50 А от дозы электронного облучения.

Зависимость энергии потерь при включении Eon и выключении Eoff транзистора NPT+ IGBT на напряжение 1200 В от дозы электронного облучения (режим измерения: IC = 50 А, VCC = 600 В, RG = 15 Ом, Т = 125 °C)

Рис. 5. Зависимость энергии потерь при включении Eon и выключении Eoff транзистора NPT+ IGBT на напряжение 1200 В от дозы электронного облучения (режим измерения: IC = 50 А, VCC = 600 В, RG = 15 Ом, Т = 125 °C)

На рис. 5 видно, что, как и временные параметры, энергия потерь при включении слабо зависит от дозы облучения электронами. При облучении IGBT электронами с максимальной дозой (5,3×1013 см-2) наблюдается небольшой рост Eon по сравнению с необлученными структурами (от 7 до 7,5 мДж). Энергия потерь выключения при той же максимальной дозе облучения электронами снижается почти в 3 раза, ставя транзистор NPT+ IGBT в ряд полупроводниковых приборов для высокочастотных применений.

По результатам измерений статических и динамических параметров до и после каждого этапа облучения электронами была построена кривая взаимосвязи (trade-off) между энергией потерь выключения и напряжением насыщения транзисторов NPT+ IGBT на напряжение 1200 В (рис. 6). Данная кривая полезна для оценки уровня технологии полупроводникового прибора и может быть использована для расчета суммарной мощности потерь в транзисторах при различных частотах коммутации.

Взаимосвязь энергии потерь при выключении транзистора NPT+ IGBT на напряжение 1200 В с напряжением насыщения (режимы измерения: IC = 50 А, VCC = 600 В, RG = 15 Ом, Т = 125 °C)

Рис. 6. Взаимосвязь энергии потерь при выключении транзистора NPT+ IGBT на напряжение 1200 В с напряжением насыщения (режимы измерения: IC = 50 А, VCC = 600 В, RG = 15 Ом, Т = 125 °C)

Двойной ток, ток короткого замыкания

Испытания устойчивости к выключению двойного тока (RBSOA) и току короткого замыкания (SCSOA) были проведены в следующих режимах:

– RBSOA: VCC = 600 В, IC1 = 50 А, IC2 = 100 А, VGE ON = +15 В, VGE OFF = –15 В, RG = 15 Ом, Т = 125 °C;

– SCSOA: VCC = 900 В, VGE ON = +15 В, VGE OFF = –15 В, RG = 15 Ом, tp = 10 мкс, Т = 125 °C.

Испытания показали, что транзисторы NPT+ IGBT на напряжение 1200 В до и после облучения электронами с максимальной дозой успешно выдержали двойные токи и токи короткого замыкания с многократным повторением.

Расчет мощности потерь на высоких частотах

По результатам измерений статических и динамических параметров рассчитаны суммарные мощности потерь PTOT при работе транзисторов на различных частотах вплоть до 40 кГц:

PTOT = PDC + Pon + Poff,

PDC = VCE(sat) × IC × D,

Pon = Eon × f,

Poff = Eoff × f,

где: PDC — мощность потерь в IGBT во включенном состоянии; Pon — мощность потерь при включении IGBT; Poff — мощность потерь при выключении IGBT; D = 0,5.

На рис. 7 приведено сравнение суммарных потерь в NPT+ IGBT на напряжение 1200 В в полумостовой схеме модуля при частоте переключения 25 кГц без облучения и после облучения транзисторов электронами. Как видно из рис. 7, полные потери на облученных высокочастотных транзисторах снижены на 28%, а динамические потери — на 40% по сравнению со стандартными IGBT (не облученными электронами).

Сравнение суммарных потерь в транзисторах NPT+ IGBT на напряжение 1200 В до и после облучения при частоте переключения 25 кГц

Рис. 7. Сравнение суммарных потерь в транзисторах NPT+ IGBT на напряжение 1200 В до и после облучения при частоте переключения 25 кГц

Зависимость суммарных потерь в транзисторах NPT+ IGBT на напряжение 1200 В от частоты переключения показана на рис. 8.

На рис. 8 видно, что суммарные потери частотных транзисторов (облученных электронами) меньше стандартных, если частота переключения выше 5 кГц. Таким образом, полученные с помощью электронного облучения частотные транзисторы NPT+ IGBT на напряжение 1200 В выгодно применять по сравнению со стандартными на частотах коммутации свыше 10 кГц, вплоть до 40 кГц. Подобные частоты имеют место в сварочном оборудовании, индукционном нагреве, источниках питания для медицинской аппаратуры, в преобразователях фотоэлектрической энергии и других применениях.

Зависимость суммарных потерь в транзисторах NPT+ IGBT на напряжение 1200 В от частоты переключения

Рис. 8. Зависимость суммарных потерь в транзисторах NPT+ IGBT на напряжение 1200 В от частоты переключения

В результате проведенных исследований взаимосвязи электрических параметров и характеристик NPT+ IGBT и режимов электронного облучения ОАО «Электровыпрямитель» включило в свою производственную линейку высокочастотные IGBT-модули с частотой переключения до 25 кГц и выше с использованием отечественных кристаллов NPT+ IGBT компании ОАО «Ангстрем». Типы, номиналы напряжения и тока новых модулей представлены в таблице.

Таблица. Типы, номиналы напряжения и тока новых модулей

Тип

Напряжение, В

Ток, А

Схема

Размер основания, мм

М2ТКИ-50-12АЧ

1200

50

полумост

34×94

МДТКИ-50-12АЧ

чоппер

МТКИД-50-12АЧ

чоппер

М2ТКИ-100-12АЧ

100

полумост

62×106

МДТКИ-100-12АЧ

чоппер

МТКИД-100-12АЧ

чоппер

 

Заключение

Разработаны отечественные IGBT-модули с пониженными динамическими потерями, пригодные для высокочастотных применений. Показано, что электронное облучение кристаллов NPT+ IGBT снижает динамические потери в модулях при переключении транзисторов с частотой 25 кГц на 40%, а суммарные потери на 28% по сравнению с обычными транзисторами. Это позволяет создавать преобразовательное оборудование, работающее на высоких частотах, с меньшими размерами и высоким КПД.

Литература
  1. Siemieniec R. and Lutz J. Axial Liftime Control by Radiation Induced Centers in Fast Recovery Diodes. ISPS/September 2002/Prague.
  2. Меркулова О. А., Мартыненко В. А., Чумаков Г. Д., Гришанин А. В. Оптимизация параметров мощного лавинного диода для работы в многофазных выпрямителях на средних частотах // Силовая электроника. 2012. № 4.
  3. Машевич П. Р., Мартыненко В. А., Мускатиньев В. Г., Бормотов А. Т., Тогаев М., Крицкая Т. Б., Ищенко Л. А. Исследование параметров и характеристик обогащено-планарных IGBT с малыми потерями на напряжение 1200 В // Силовая электроника. 2013. № 4.
  4. Rahimo M., Kopta A., Linder S. Novel Enhanced-Planar IGBT Technology Rated up to 6,5 kV for Power Losses and Higher SOA Capability. Proc. ISPSD, 2006, Naples, Italy, 33–36. 2006.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.

hentao pornnporn.com telugu chatting west indies open sex youpornhindi.com first night xxnx maja mallika tamil dirty story xxxfiretube.com teen xxnx xxxxu indianpornsearch.com pooja kumar sex 喉奥性感イラマ痴女 浜崎真緒 javsextube.com 君嶋真由 i love porn sexxxymovs.com mallusexvideos tomcat doujinshi bluhentai.com tiny boobs giant tits history sequel black dog hentai mobhentai.com hentai onee chan jammu blue film indiananalfuck.com indian incest xvideos mugen fc2 javwhores.mobi 巨乳 あげ افلام نيك مترجم cyberpornvideos.com طيذ momteachessex indianxxxonline.com house wife x videos 君嶋真由 freejavonline.mobi クローゼット 寝取られ sexx tamil indianfuckass.com bengali milf mia khalifa hard fuck pelisporno.org newsexstory