Новые IGBT компании IXYS

Технология XPT

Как показано на рис. 1, структура XPT-транзистора является более «тонкой» по сравнению с другими представленными на рынке решениями. Эта особенность позволяет обеспечить более низкое тепловое сопротивление кристалла, более низкие потери и бóльшую плотность тока при позитивном температурном коэффициенте прямого падения напряжения.

Рис. 1. Структура XPT-транзистора

Рис. 2 демонстрирует существенное превосходство XPT над традиционными Trench в режиме коммутации.

Рис. 2. Сравнительные характеристики XPT и традиционных Trench в режиме коммутации

IXYS располагает современной Trench-технологией 4-го поколения, предлагая продукты, выполненные в совмещенном технологическом процессе Trench XPT IGBT. Данная комбинация обеспечивает снижение прямого падения напряжения при высочайшей надежности одновременно с низкой энергией закрытия (turn-off losses).

Перечислим основные преимущества XPT-технологии:

• тонкий кристалл;
• сниженное тепловое сопротивление;
• низкая энергия потерь коммутации;
• быстрое переключение;
• малая площадь остаточного тока (tail current);
• высокая плотность тока коммутации;
• позитивный тепловой коэффициент прямого падения напряжения V_ce(sat).

Семейство 600-В XPT IGBT

Разработанное на базе технологии XPT, совмещенной с третьим поколением IGBT-процесса, данное семейство предлагает отличные электрические характеристики, такие как низкое прямое падение напряжения (на уровне 1,6 В), малое время остаточного тока (на уровне 32 нс) и низкую энергию потерь при закрытии транзистора (E_off на уровне 0,27 мДж при T = +25  C). Поскольку кристаллы имеют позитивный температурный коэффициент прямого падения напряжения, они могут быть легко использованы в параллельном включении. При этом низкий заряд затвора облегчает построение драйвера управления.

Семейство 600-В XPT IGBT обеспечивает высокие характеристики надежности в режиме коммутации и при коротком замыкании, устанавливая новую планку качества 600-В ключей IGBT. Это достигается за счет квадратной области безопасной работы на обратном токе RBSOA на полном блокирующем напряжении, устойчивости к короткому замыканию в течение 10 мкс (SCSOA) и совместимости с лавинными режимами. Дополнительно они имеют расширенную область безопасной работы при прямом токе (FBSOA), что расширяет область применения ключей и увеличивает их надежность и перегрузочную способность.

Быстродействующие FRED с плавной характеристикой восстановления: SONIC и HiPerFRED

Новые 600-В XPT IGBT доступны в конфигурации со встроенными быстродействующими диодами SONIC или HiPerFRED. Данная комбинация позволяет существенно снизить потери на закрытие транзистора, при этом допустимыми являются достаточно высокие скорости изменения тока di/dt, что стало возможным благодаря «плавной» характеристике диода. Малое время обратного восстановления диода t_rr и низкий обратный ток восстановления позволяют снизить потери на включение транзистора E_on. Кроме того, диоды семейства SONIC можно применять параллельно благодаря положительному температурному коэффициенту прямого падения напряжения.

Основные преимущества силовых ключей IXYS на напряжение 600 В:

• оптимизированы для высоких скоростей коммутации (до 60 кГц);
• расширенная область безопасной работы при прямом токе (FBSOA);
• устойчивость к короткому замыканию (до 10 мкс);
• квадратная область безопасной работы RBSOA;
• стандартные корпуса.

Типовые применения: заряд батарей, электротранспорт, управление двигателями, инверторы напряжения, сварочное оборудование. Примеры изделий приведены в таблице 1 и на рис. 3.

Рис. 3. Внешний вид 600-В XPT IGBT

XPT Trench IGBT на напряжение 650 В

Семейство 650-В XPT Trench IGBT было разработано для снижения потерь коммутации при одновременном снижении потерь проводимости в транзисторе. Данное решение было найдено за счет совмещения технологий XPT и Trench IGBT 4-го поколения. Полученные таким образом ключи демонстрируют низкие потери на закрытие транзистора E_off при одновременно низком прямом падении напряжения V_ce(sat).

Благодаря «тонкому» XPT-кристаллу данные транзисторы также демонстрируют низкое тепловое сопротивление R_thjc, высокое быстродействие, малый остаточный ток и высокую допустимую плотность тока коммутации. Кроме того, данное семейство обладает положительным температурным коэффициентом прямого падения напряжения, что позволяет также применять их в параллельном включении.

Данные ключи имеют квадратную область безопасной работы RBSOA вплоть до напряжения 650 В и двукратного номинального тока на высокой температуре, что позволяет их применять в бесснабберном включении в режиме жестких переключений. Также данное семейство устойчиво к короткому замыканию до 10 мкс на температуре +150 °С, что позволяет их применять с индуктивной нагрузкой, например для управления электродвигателями.

Быстродействующие встроенные диоды

Прямое падение быстрых диодов с плавной характеристикой переключения SONIC-FRD мало зависит от температуры, что позволяет применять их в параллельном включении и снижать потери коммутации. Диоды SONIC-FRD оптимизированы для снижения потерь при закрывании ключа и подавления осцилляции, что позволяет получить характеристику переключения с низкими электромагнитными помехами.

Основные преимущества XPT IGBT 650 В:

• низкое прямое падение напряжения;
• работа на частоте до 60 кГц;
• устойчивость к короткому замыканию 10 мкс;
• квадратная область RBSOA;
• стабильность прямого падения напряжения на диоде от температуры.

Типовые приложения:

• зарядка батарей;
• балласт ламп;
• электропривод;
• инверторы напряжения;
• сварочное оборудование.

Компромиссное решение с низкой энергией E_off и малым прямым падением напряжения

Рис. 4 демонстрирует соотношение E_off и V_ce(sat) в новых 650-В XPT Trench IGBT по сравнению с ближайшими конкурентами.

Рис. 4. Соотношение E_off и V_ce(sat) в новых 650-В XPT Trench IGBT

В таблице 2 представлено несколько транзисторов нового семейства 650-В XPT Trench IGBT (рис. 5).

Рис. 5. Доступные корпуса транзисторов нового семейства 650-В XPT Trench IGBT

1200-В XPT IGBT, оптимизированные для режимов жесткой коммутации

Семейство 1200-В XPT IGBT произведено по технологии GenX3 IGBT, совмещенной с XPT-технологией, что позволило получить высокие показатели надежности, высокую плотность тока, хорошее быстродействие, низкие потери коммутации и малый остаточный ток. Применение XPT-технологии обеспечило также малое тепловое сопротивление R_thjc и низкое прямое падение напряжения V_ce(sat), что расширило возможности корпусирования новых кристаллов и дало прирост в плотности тока коммутации.

Разработчик может применять данные транзисторы в параллельном включении для получения более высоких токов, что возможно благодаря положительному температурному коэффициенту этих IGBT. Кроме того, данное семейство обладает низкими показателями энергии затвора, что упрощает проектирование драйвера управления при снижении потребляемой энергии.

Семейство 1200-В XPT IGBT совместимо с лавинным режимом и имеет квадратную область безопасной работы RBSOA.

Быстродействующие встроенные диоды

Данное семейство транзисторов предлагается со встроенными быстродействующими диодами Sonic-FRD и HiPerFRED. Предназначенные для снижения потерь при закрытии транзистора и снижения «дребезга» переключения, данные диоды снижают электромагнитные помехи при коммутации. Благодаря плавной характеристике переключения диода, IGBT могут применяться на больших скоростях изменения тока di/dt даже при малых токах через транзистор. Встроенные диоды обладают малым обратным током при восстановлении наряду с малым временем обратного восстановления, что снижает потери на открывание транзистора E_on. Встроенные диоды имеют также положительный температурный коэффициент V_f.

Основные преимущества XPT IGBT 1200 В:

• оптимизированы для высоких частот (до 60 кГц);
• квадратная область RBSOA;
• положительный температурный коэффициент V_ce(sat);
• совместимость с лавинным режимом;
• малый заряд затвора.

Типовые применения:

• силовые инверторы;
• источники бесперебойного питания UPS;
• корректоры коэффициента мощности PFC;
• заряд батарей;
• источники напряжения.

Характеристики некоторых 1200-В XPT IGBT на токи 9–120 А представлены в таблице 3. Доступные корпуса показаны на рис. 6.

Рис. 6. Доступные корпуса транзисторов нового семейства 1200-В XPT IGBT на токи 9–120 А

SimBus F — гибкое решение для двух- и трехуровневой топологии инверторов

Модули SimBus F являются одним из новейших направлений корпусов компании IXYS. Данное семейство модулей на изолированном основании предлагает несколько интересных преимуществ. Базируясь на хорошо освоенных полупроводниковых технологиях, данное решение оптимизировано для применения в конфигурации двух- и трехуровневого инвертора. Установочные и габаритные размеры данного модуля соответствуют промышленному стандарту модулей высоты 17 мм и облегчают подсоединение выпрямительных и инверторных шин. Керамическая подложка на базе DCB-керамики, также производимая в компании IXYS, обеспечивает напряжение изоляции 4800 В между силовыми выводами и радиатором.

SimBus F является стандартным модулем, оптимизированным для полумостовой конфигурации на базе IGBT-ключей, обеспечивая высокую плотность тока и малую вносимую индуктивность. Собранный с применением новейших кристаллов XPT IGBT и SONIC FRED, модуль SimBus F обеспечивает заказчику надежное решение из полностью независимого источника, чье производство полностью базируется на собственных компонентах. Типовые применения данных модулей — преобразователи для альтернативных источников энергии, управление электродвигателями, различные преобразователи постоянного тока и источники бесперебойного питания.

Первые серийные модули в корпусе SimBus F выпущены на токи 450, 300 и 225 А (полумост) и на 225 А в конфигурации верхний/нижний чоппер. Дополнительно на напряжение 650 В предлагаются модули на 600 А в конфигурации с общим эмиттером и общим коллектором (MIXA600CF650TSF и MIXA600AF650TSF).

Модуль MIXA430LD1200TSF выполнен в топологии трехуровневого инвертора в Т-конфигурации (NPC2) с применением 650- и 1200-В XPT IGBT. Два таких модуля в антипараллельном включении позволяют получить T-образный трехуровневый инвертор с усиленным звеном постоянного тока. В комбинации с IGBT на напряжение 1700 В в скором времени будет доступен такой же модуль и на большее напряжение.

Преимущества SimBus F:

• простое применение в параллельном включении;
• надежная технология XPT IGBT:
  • режим короткого замыкания 10 мкс;
  • очень низкий заряд затвора;
  • квадратная область RBSOA;
• быстрые SONIC-диоды с плавной характеристикой переключения;
• малое прямое падение напряжения;
• встроенный датчик температуры.

Типовые применения:

• приводы переменного тока;
• источники альтернативной энергии;
• плавный пуск двигателей;
• сварочное оборудование;
• индукционный нагрев;
• управление насосами и вентиляторами.

Press-Pack IGBT на напряжение 2500 и 4500 В

Занимаясь разработкой инновационных Press-Pack IGBT, компания IXYS предлагает широкий спектр продуктов на базе данной технологии. Данное семейство IGBT-модулей имеет высочайшую надежность и существует на рынке уже более 10 лет. Более того, IXYS продолжает разрабатывать новые продукты и регулярно выпускает новые изделия. На сегодня на выбор разработчика представлены Press-Pack IGBT с током 160–2400 А и напряжением 2500 и 4500 В. Полный список продуктов приведен в таблице 4: доступны как одиночные ключи, так и ключи со встроенным диодом.

Современная технология производства данных IGBT-кристаллов обеспечивает низкое прямое падение напряжения, сравнимое с Trench при одновременном наличии области безопасной работы RBSOA и хороших параметрах управления. Конструкция данного модуля полностью лишена паяных и сварных соединений, которые являются узким местом традиционных силовых модулей при термоциклировании. Величина вносимой индуктивности как со стороны затвора, так и со стороны эмиттера существенно ниже величины индуктивности в обычных модулях на изолированном основании. Данная особенность приводит к существенному увеличению надежности Press-Pack IGBT и обеспечивает гарантированный выход из строя в короткое замыкание, что особенно важно в высоковольтных приложениях.

Рис. 7. Размещение кристалла в ячейке

Каждый кристалл в Press-Pack IGBT располагается в собственной ячейке (рис. 7), которые устанавливаются в герметичный корпус (рис. 8). Контакт обеспечивается прижатием прибора к внешним шинам.

Рис. 8. Герметичный корпус

Типовая конструкция одной фазы трех­уровневого инвертора на базе Press-Pack IGBT T2400GB45E приведена на рис. 9. Данный рисунок показывает, насколько компактно может быть данное решение, особенно на напряжения 6 и 10 кВ, где требуется последовательное соединение ключей. Последовательное соединение Press-Pack IGBT в высоковольтных приложениях не требует применения сложных конструкций силовых шин, а гарантированный выход из строя в короткое замыкание позволяет строить системы с избыточным резервированием, а также активные высоковольтные компенсаторы реактивной мощности.

Рис. 9. Типовая конструкция одной фазы трехуровневого инвертора на базе Press-Pack IGBT T2400GB45E

Структура кристала IGBT оптимизирована для улучшения характеристик термоциклирования, которые обычно на порядок лучше, чем у обычных модулей на изолированном основании. Благодаря данной особенности Press-Pack IGBT являются оптимальным решением для транспорта и индукционного нагрева, особенно требовательных к термоциклам. Конструкция керамического корпуса обладает высокой прочностью, что делает возможным применение данных модулей в горном и судовом оборудовании, в нефтяной и газовой отрасли. Герметичность корпуса позволяет применять эффективные системы охлаждения, в том числе погружение в масло.