Управляйте электродвигателями с помощью XPT IGBT компании IXYS

Иван Полянский

Технология XPT
«тонкая» технология

Движение от PT (Punch through) технологии к XPT (extreme light punch through) в разработках компании IXYS совпало с общеотраслевым трендом производителей IGBT по уменьшению толщины кристалла за счет применения пластин, вырезанных из кристаллов, очищенных зонной плавкой. Достижения в производстве пластин толщиной до 70 мкм (рис. 1), имеющих высокую гибкость за счет малой толщины, позволили снизить тепловое сопротивление одновременно с прямым падением напряжения IGBT, что позволило увеличить коммутируемый ток. Все это дает возможность уменьшить размер кристалла для того же номинального тока и улучшить характеристики корпусированного изделия.

Технология XPT IGBT имеет программируемый коэффициент усиления за счет контролируемой концентрации в области р-эмиттер/п-буфер в области анода транзистора, что позволяет применять параллельное соединение данных транзисторов ввиду положительного температурного коэффициента прямого падения напряжения. Преимущества от совмещения новой топологии кристалла IXYS с «тонкой» технологией пластины будут подробно освещены далее в приведенных характеристиках IGBT, в том числе их статические и динамические параметры, работа в режиме жестких переключений и надежность в ходе испытаний.

Характеристики XPT

XPT IGBT были разработаны для обеспечения малых потерь коммутации при низком прямом падении напряжения. Это было достигнуто за счет улучшенной области безопасной работы (SOA) и устойчивой характеристики в режиме короткого замыкания. Выходные характеристики при разных температурах показаны на рис. 2.

XPT IGBT имеют малое прямое падение напряжения V_ce(sat)

Позитивный температурный коэффициент XPT
IGBT обеспечивает отрицательную обратную связь, позволяющую использовать транзисторы параллельно. В дополнение к низкому V_cs(sat), XPT IGBT имеют малый ток утечки в выключенном состоянии (менее 74 мкА при 150 °С и 1200 В). Характеристика выключения 35-амперного транзистора на 1200 В показана на рис. 3.

Как видно из рис. 3, форма тока имеет «гладкую» форму, уменьшающую электромагнитные помехи и выбросы напряжения. Линейная форма нарастания напряжения и короткий остаточный ток во время запирания позволяют уменьшить потери (E_off = 4,5 мДж). XPT IGBT имеют низкий заряд затвора (110 нКл при 15 В) и требуют меньшей энергии драйвера управления по сравнению с Trench IGBT.

XPT + Sonic — наилучшая комбинация

Оптимальное решение задачи по уменьшению потерь на включение достигается при использовании диодов Sonic совместно с XPT IGBT, которые также имеют низкое прямое падение напряжения и великолепную температурную характеристику.

Диоды Sonic имеют плавную характеристику восстановления, которая позволяет включаться XPT IGBT при очень высоких di/dt даже на малых токах и низкой температуре, где обычно сильно сказываются характеристики диода. Sonic-диоды обеспечивают плавную характеристику выключения по току и устраняют проблемы электромагнитных помех.

Диоды Sonic имеют малый ток обратного восстановления одновременно с низким временем восстановления и, как показано на рис. 4, минимизируют энергию на открытие XPT IGBT (E_on = 3,7 мДж). Прямое падение напряжения V_f диодов Sonic менее зависимо от температуры, что позволяет лучше использовать их в параллельном включении и минимизировать потери коммутации.

Характеристики устойчивости XPT IGBT

Поведение IGBT-транзисторов в режиме короткого замыкания очень важно для приложений с управлением электродвигателями, и XPT IGBT IXYS показали очень хорошие характеристики во время тестирования на короткое замыкание. Дизайн кристалла оптимизирован для обеспечения малой проходной емкости, поэтому обеспечивает приблизительно 4-кратньгй от номинального ток короткого замыкания, что гарантирует уверенную работу в данном режиме.

На рис. 5 показана характеристика транзистора 35 А, 1200 В XPT IGBT во время короткого замыкания при напряжении на затворе +/-15 В при 125 °С и времени 10 мкс. Характеристики XPT IGBT показывают чрезвычайно высокую устойчивость в режиме короткого замыкания при высоком приложенном напряжении, высокой температуре и времени воздействия 10 мкс, без причинения вреда характеристикам IGBT. XPT IGBT компании IXYS имеют область безопасной работы на отрицательном токе (RBSOA) при 1200 В и высокой температуре: до 2-кратного значения номинального тока.

Силовые модули с кристаллами XPT: расчет потерь

Потери IGBT и, следовательно, их температура рассчитываются с учетом эффекта нагревания от потерь проводимости и коммутации во время периода напряжения. Приведем данные расчета теплового сопротивления Tj в течение нескольких секунд в диапазоне частот входного напряжения от 2 до 50 Гц. Потери в IGBT и тепловое сопротивление, как только будет достигнута их стабилизация, в течение периода напряжения отображаются на графике.

Сравнение XPT и Trench-технологий в различных диапазонах частот приведено на рис. 6. В данном случае на рисунке показана характеристика при U_dc = 700 В, f = 50 Гц, I = 25 А, T_hs = 60 C. В этом примере показан модуль 35 А, конфигурации CBI, MIXA35WB1200TED, на примере которого были проведены все расчеты. Рис. 6 наглядно показывает, что на частотах до 4 кГц различие в суммарных потерях двух технологий практически не заметно, но на частотах выше 4 кГц XPT, благодаря превосходным динамическим характеристикам, значительно снижаются потери и выделение тепла, что делает их в итоге более предпочтительными.

Сравнительные характеристики модулей XPT по прямому падению напряжения и суммарным потерям в корпусе IXYS E2-Pack с модулями на кристаллах Trench и SPT показаны на рис. 7.

XPT IGBT-модули имеют существенно более низкое прямое падение напряжения, чем стандартные SPT (MWI50-12E7), и более низкие потери коммутации по сравнению со стандартными Trench (MWI50-12T7T). Таким образом, объединение XPT IGBT и диодов Sonic в одном силовом модуле демонстрирует высокую конкурентоспособность данного решения по сравнению с другими существующими технологиями.

Номенклатура изделий с кристаллами XPT

Доступные в настоящее время 1200 В XPT IGBT рассчитаны на ток 10, 15, 35 и 50 А. Эти IGBT доступны в дискретных и модульных изделиях, а также в изделиях, разрабатываемых под технические требования заказчиков. Комбинация XPT IGBT/Sonic применяется в модулях CBI (Converter-Brake-Inverter) и six-pack (трехфазный инвертор) в трех типах корпусов. Трехфазный выпрямительный мост и тормозной транзистор с трехфазным инвертором интегрированы в модулях CBI. В модулях на керамической подложке имеется также датчик температуры NTC для мониторинга температуры в области кристаллов. IXA35IF1200HB является примером дискретной сборки XPT IGBT и Sonic диода в корпусе ISOPLUS247.

В таблицах 1 и 2 приведены первые разработанные продукты с кристаллами XPT. В ближайшее время этот список будет расширен четырьмя новыми IGBT на токи 25, 75 и 100 А для напряжения 1200 В и 100 А для напряжения 1700 В. Полный перечень разрабатываемых продуктов с XPT IGBT ориентирован на диапазон от 3 до 150 А и напряжения 600, 1200 и 1700 В.

Таблица 1. Характеристики дискретных XPT IGBT-модулей

Таблица 2. Характеристики XPT IGBT-модулей

Заключение

С представлением новых XPT IGBT компания IXYS расширяет спектр своей продукции для удовлетворения имеющихся потребностей рынка в высоконадежных силовых ключах с малыми потерями и возможностью параллельного включения. Электрические и тепловые характеристики первых доступных продуктов показывают возможность эффективного применения XPT IGBT и Sonic наравне с другими существующими технологиями.