Le transistor IGBT XPT 650 V, récemment introduit, a été conçu selon une technologie planaire et bénéficie de méthodes améliorées pour réduire la résistance parasite intrinsèque. Les composants obtenus offrent des performances similaires aux transistors IGBT à tranchée modernes, sans leurs inconvénients tels qu'une capacité d'entrée élevée et les courants de grille à l'ouverture et à la fermeture importants qui en résultent.
L'absence de contrôle de durée de vie garantit un coefficient de température positif à la tension de conduction, facilitant ainsi le montage en parallèle. Grâce à une conception d'émetteur optimisée, ces IGBT XPT 650 V répondent aux exigences de commutation rapide.
La figure 1 présente la courbe de compensation Vce(sat) - Eoff d'un IGBT XPT 650 V en versions moyenne et haute vitesse.
Caractéristiques du XPT :
L’IGBT XPT a été conçu pour minimiser les pertes de commutation tout en maintenant une faible tension à l’état passant. Ce résultat a été obtenu grâce à l’amélioration des rapports SOA et de robustesse aux courts-circuits. Les caractéristiques de sortie à différentes températures sont présentées sur la figure 2 pour une vitesse moyenne.
L'IGBT XPT présente une tension de seuil (Vce(sat)) typiquement faible de1,6 V à Inomà 25 °C etde 1,85 V à Inomà 150 °C. Son coefficient de température positif assure une contre-réaction négative, ce qui le rend idéal pour le montage en parallèle de modules ou de circuits. Outre cette faible Vce(sat), l'IGBT XPT se caractérise également par un faible courant de fuite à 150 °C (<100 mA à 650 V), pour une température de jonction maximale spécifiée de 175 °C.
Les caractéristiques de commutation d'un IGBT XPT 650V à 150°C, 100 A, vitesse moyenne sont illustrées dans les figures 3 et 4.
Comme le montre la figure 3, la forme d'onde du courant (en bleu) présente un comportement de commutation régulier, réduisant les interférences électromagnétiques et les surtensions transitoires. La montée linéaire de la tension et la courte durée du courant à l'arrêt entraînent de faibles pertes (Eoff = 3,6mJ à 150 °C, 300 V, 100 A).
L'IGBT XPT possède une faible charge de grille (Qg = 140 nC à 0/15 V), ce qui nécessite une consommation d'énergie de commande de grille moindre, par rapport aux IGBT à tranchée.
XPT et SONIC - la combinaison parfaite
La combinaison optimale pour réduire les pertes à l'allumage est obtenue lorsque l'IGBT XPT est associé à la diode IXYS SONIC, qui présente également une faible conduction de puissance et un excellent comportement en température.
La diode SONIC présente des caractéristiques de récupération progressive, permettant à l'IGBT XPT de rester conducteur à des valeurs de di/dt très élevées, même dans des conditions de faible courant et de basse température où un déclenchement de la diode se produirait généralement.
La diode SONIC conserve un comportement de commutation régulier lors de la coupure à des courants inappropriés, réduisant ainsi les problèmes d'interférences électromagnétiques.
Les diodes SONIC associent un faible courant de recouvrement inverse à un temps de recouvrement inverse court, comme illustré sur la figure 4, afin de minimiser l'énergie d'amorçage de l'IGBT XPT (Eon IGBT =1,2 mJ à, 100 A à 1 600 A/ms ). La tension directe (Vf) de la diode SONIC est moins sensible à la température, ce qui améliore son aptitude au fonctionnement en parallèle et minimise les pertes de commutation.
Fonctionnalités de robustesse XPT
Le comportement des IGBT en court-circuit est un facteur critique pour les applications de commande de moteurs, et l'IGBT IXYS XPT a démontré une robustesse exceptionnelle lors des tests de court-circuit. La conception de la puce a été optimisée pour fournir un courant de court-circuit environ quatre fois supérieur au courant nominal, garantissant ainsi un comportement robuste en court-circuit.
La figure 5 illustre le comportement de l'IGBT XPT 50 A, 650 V, à vitesse moyenne, lors d'un court-circuit avec une tension de grille de ±15 V à 150 °C pendant 10 ms sous une tension de bus de 400 V.
La caractérisation de la technologie IGBT XPT a démontré une robustesse extrême lors d'un court-circuit de 10 ms sous haute tension et haute température, sans altérer les caractéristiques de l'IGBT. L'IGBT IXYS XPT présente une résistance à la rupture (RBSOA) à 650 V jusqu'à deux fois le courant nominal à une température de jonction de 150 °C.
Feuille de route XPT
: L’IGBT XPT 650 V est prévu avec des intensités nominales de 10, 15, 20, 30, 50, 75, 100 et 200 A. Il existe une version à vitesse moyenne pour les applications de commande de moteurs et une version à commutation rapide pour les applications exigeantes telles que les onduleurs solaires et les machines à souder. Les versions 50 A et 100 A sont lancées en premier et sont déjà disponibles sous forme d’échantillons. (Une combinaison avec du SiC est également proposée pour des applications spécifiques et des exigences clients particulières.)
Options d'encapsulation, nouveau Isoplus-SMPD™
Ces puces IGBT XPT™ sont disponibles en boîtiers modules discrets standard et dans le nouveau boîtier Isoplus-SMPD™ (composant de puissance à montage en surface). L'objectif était de développer un boîtier compact et très flexible permettant de réaliser différents circuits basés sur la technologie IXYS ISOPLUS™. Les exigences d'application et les détails de conception ont été discutés et analysés en collaboration avec l'équipe de développement de SEW Eurodrive GmbH & Co.KG afin d'obtenir un produit mieux adapté à une utilisation plus efficace.
La gamme ISOPLUS™ repose sur l'utilisation d'un substrat DCB assurant l'isolation de la face arrière. Ceci simplifie l'assemblage, puisqu'une couche d'isolation supplémentaire n'est pas nécessaire. La technique de moulage par transfert permet d'obtenir un boîtier robuste et d'utiliser un DCB fin de 0,38 mm, réduisant ainsi la résistance thermique.
Dans les composants discrets classiques, les puces sont soudées directement sur un substrat en cuivre présentant des coefficients de dilatation thermique différents, notamment entre le substrat et la puce. D'importantes variations de température, qu'elles soient dues à des contraintes thermiques ou électriques, peuvent engendrer des défauts tels que des fissures dans les puces.
Ce stress est considérablement réduit grâce aux avantages du boîtier Isoplus-SMPD™, notamment une meilleure compatibilité entre la puce de silicium et la carte de circuit imprimé (DCB) sur laquelle elle est montée. De plus, la faible impédance thermique des DCB minimise l'élévation de température sous différentes charges, leur permettant de résister aux contraintes à basse température, caractéristique d'un composant haute fiabilité. L'utilisation d'une DCB permet également la mise en œuvre de diverses configurations de circuits à faible inductance au sein du boîtier. Des configurations standard telles que les bras de phase, les circuits hacheurs et les ponts redresseurs à une ou trois phases d'entrée sont déjà disponibles, notamment avec des IGBT XPT 1200 V (Figure 6). D'autres configurations seront développées en fonction des besoins des clients. À partir de ces sous-fonctions, il est possible de créer des circuits de puissance plus complexes, adaptés à des applications spécifiques. Enfin, ces composants peuvent être connectés en parallèle pour des courants plus élevés. Pour l'IGBT XPT 650 V, une configuration à bras de phase de 75 A et un copack unique de 200 A sont possibles dans Isoplus-SMPD™.
Ce nouveau boîtier compact et léger, doté de deux rangées de broches, ressemble à un circuit intégré (CI) mais contient moins de cuivre et présente une distance de fuite améliorée. Il permet un montage sur carte sur des équipements de placement CMS standard, aux côtés d'autres composants CMS standard. Les dispositifs Isoplus-SMPD™ sont disponibles en conditionnement sur bande et bobine ou en barquette blister.
L'ensemble de la carte, y compris les composants d'alimentation, peut être assemblé par soudure CMS standard. Comme toujours, une couche de matériau d'interface thermique doit être appliquée à l'arrière des composants d'alimentation (ou, alternativement, sur la surface du dissipateur thermique). Les composants peuvent ensuite être montés sur le dissipateur thermique avec le circuit imprimé.
La division des fonctions d'une solution modulaire intégrée en unités plus petites offre également des avantages en termes de dissipation thermique. Alors que la dissipation thermique dans une solution modulaire est concentrée sur une surface relativement petite, les sources de chaleur sont séparées et donc beaucoup mieux réparties sur le ou les dissipateurs thermiques grâce aux dispositifs ISOPLUSSMPD™.
Ces composants de puissance doivent être pressés contre le dissipateur thermique afin de garantir une faible résistance thermique. La pression peut être appliquée de différentes manières, par exemple à l'aide d'une pince de fixation ou directement sur le composant à travers la carte. Les mesures ont montré que des pressions élevées réduisent la résistance thermique (RthJH) et que celle-ci reste quasiment inchangée si la force de montage est réduite après une courte période d'application d'une pression élevée (Figure 7). Cependant, même avec des forces de montage plus faibles, la résistance thermique Rth s'améliore avec le temps. Il faut environ 30 minutes pour que la pâte thermique se répartisse et se stabilise complètement, et que tout excédent soit éliminé.
Conclusion :
Les bonnes caractéristiques statiques et dynamiques, associées à une robustesse en cas de court-circuit et d’avalanche, ainsi qu’aux caractéristiques d’isolation de 3 kV et à la capacité de traitement CMS du boîtier ISOPLUSSMPD™, offrent à l’ingénieur un dispositif adapté et plus flexible pour les conceptions d’alimentation de systèmes avancés, avec d’excellentes performances, une grande fiabilité et une réduction des coûts.
Auteurs : Iain Imrie, Elmar Wisotzki, Olaf Zschieschang et Andreas Laschek-Enders. IXYS.
