Toutefois, la réduction de la dissipation de puissance des modules IGBT est également un critère essentiel pour les utilisateurs soucieux de minimiser le coût total du système, notamment grâce à la suppression des interférences électromagnétiques et à une durée de vie accrue. En perfectionnant notre technologie CSTBT™, deuxième étape du développement de la série NX, nous sommes désormais en mesure de proposer une solution plus adaptée.
Module IGBT série NX
Les modules IGBT sont généralement conçus en différentes tailles pour répondre aux contraintes d'espace et de coût. De plus, la gamme de modules IGBT comprend de nombreux éléments de boîtier différents, tels que le type de boîtier, le culot, les bornes, les isolateurs et les puces de puissance. La série NX utilise des boîtiers unifiés et des procédés d'assemblage communs, ce qui nous permet de proposer une large gamme de modules de circuits, non seulement des modules individuels, mais aussi des configurations 2-en-1, 7-en-1 et CIB (convertisseur-onduleur-frein). Nous pouvons également proposer d'autres configurations spécifiques pour certaines applications. Quelques types de boîtiers sont présentés sur la figure 1. Une grande flexibilité est offerte tant pour la configuration du circuit que pour la conception des bornes.
Technologies des puces :
Progrès des puces IGBT.
La figure 2 présente le facteur de mérite (FOM), qui indique l’évolution des performances des IGBT. Le FOM est défini comme le rapport entre la densité de courant de la puce (JC) et le produit de la tension de saturation (VCE(sat)) et des pertes de puissance à la coupure (Eoff) par impulsion et par unité de courant en commutation inductive à Tj = 125 °C. La technologie CSTBT™ présente un FOM supérieur à celui de la technologie IGBT à tranchées. Le FOM des IGBT de sixième génération de Mitsubishi est 30 % plus élevé que celui de la cinquième génération.
IGBT de sixième génération.
La puce IGBT de sixième génération repose sur la technologie avancée CSTBT™. La figure 3 compare les vues en coupe de l'IGBT de sixième génération avec celles de l'IGBT conventionnel de cinquième génération. Ces deux types partagent un concept commun au sein de la technologie CSTBT™, exploitant l'effet de stockage des porteurs (CS). Dans un premier temps, la structure de la plaquette a été modifiée, passant de la technologie NPT (Non Punch Through) à la technologie LPT (Light Punch Through), grâce à la mise au point d'un procédé de fabrication de plaquettes minces [2]. Dans un second temps, la conception de la cellule a été optimisée afin d'améliorer le compromis entre VCE(sat) et Esw(off).
La réduction de la profondeur du sillon et l'optimisation du dopage de la couche CS renforcent l'effet CS dans cette couche [3]. Il en résulte une amélioration significative du compromis VCE(sat)-Esw(off), comme illustré sur la figure 4. Il est également important de noter que les performances de dissipation de puissance de l'IGBT sont liées à la zone de sécurité en court-circuit (SCSOA). La figure 5 présente les données SCSOA obtenues pour la sixième génération de puces IGBT. L'optimisation de la couche CS et la conception des cellules permettent une tenue en court-circuit supérieure à 10 ms sans compromettre les performances de dissipation de puissance de l'IGBT.
Nouvelle conception
de diode flyback (FWDi) : La figure 6 présente la structure d’une nouvelle diode flyback (FWDi) comparée à celle d’une FWDi conventionnelle. Comme illustré sur la figure 7, la technologie de fabrication sur plaquettes minces contribue à améliorer le compromis entre la tension directe VF et la récupération des pertes de commutation Esw(rec).
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Comportement à l'ouverture :
La réduction du rapport dv/dt lors de la mise sous tension contribue généralement à atténuer les interférences électromagnétiques (EMI) émises par l'équipement. En général, le dv/dt à l'ouverture peut être réduit en contrôlant la vitesse de grille d'un circuit externe ; cependant, une réduction du dv/dt augmente les pertes à l'ouverture (Esw(on)) de la puce IGBT. La figure 8 illustre le compromis entre Esw(on) et dv/dt. La vitesse de commutation peut être contrôlée en modifiant la résistance de grille. Les pertes Esw(on) des puces IGBT de 6e génération sont inférieures de 20 % à celles des IGBT conventionnels pour dv/dt = 7,5 kV/ms, condition d'utilisation hypothétique.
La régularité de la valeur de récupération inverse du FWDi et la capacité de transfert inverse (Cres) de l'IGBT contribuent à améliorer le compromis Esw(on)-dv/dt. Ce résultat implique que les IGBT de 6e génération ont une gamme de sélection plus large et une bonne capacité de contrôle des pertes de puissance en fonction du niveau de bruit.
Comportement à l'extinction :
Au moment de l'extinction, la couche N contient de nombreuses paires électron-trou et des électrons libres, ce qui empêche l'arrêt brutal du courant de collecteur. Ce dernier diminue progressivement au fil du temps, en fonction de la durée de vie des électrons. Par ailleurs, l'IGBT de 6e génération a permis d'améliorer le courant de queue grâce à l'optimisation de la structure LPT. La figure 9 illustre les formes d'onde lors de l'extinction. Le courant de queue des puces IGBT de 6e génération est inférieur à celui de la 5e génération. Un courant de queue plus faible entraîne des pertes Esw(off) réduites.
Performances en matière de pertes de puissance :
Les pertes de puissance dans les applications d'onduleurs PWM ont été estimées pour les modules IGBT de 5e et 6e génération (voir figure 10) pour un module nominal de 1 200 V/150 A utilisé à pleine charge (30 kW) sous 400 V CA. La résistance de grille a été choisie pour chaque composant afin d'obtenir un rapport dv/dt identique (7,5 kV/ms). Les pertes de puissance totales dans une puce IGBT/FWDi comprennent les pertes de commutation et les pertes statiques. Nos calculs montrent que les pertes du module IGBT de 6e génération sont inférieures de 20 % à celles du module conventionnel.
Simulation thermique :
La simulation thermique de la série NX est présentée figure 11. Elle a été réalisée pour un composant de la série NX de 1 200 V/1 000 A, encapsulé dans un boîtier 2-en-1, avec une tension d’entrée de 400 V, alimentant un onduleur de 185 kW à pleine charge. La température de jonction (Tj) d’un module IGBT de 6e génération est en moyenne inférieure de 25 °C à celle des IGBT conventionnels. La température de jonction du nouveau FWDi est en moyenne inférieure de 21 °C à celle du FWD conventionnel. Il est donc possible de réduire l’encombrement, le poids et le coût du système de refroidissement.
Limites de fiabilité :
Dans de nombreux cas, la durée de vie d'un module IGBT est principalement déterminée par la fatigue thermique au niveau de la jonction lors d'un fonctionnement intermittent. La figure 12 compare la durée de vie du module de la dernière série NX à celle de l'ancienne série H. La série NX, avec ses IGBT de 6e génération, offre une durée de vie identique à celle de la série NX actuelle et supérieure à celle de la série H. Par ailleurs, l'augmentation de la température limite maximale de jonction (Tj) est un critère essentiel pour la conception de nouveaux équipements de puissance. La série NX, avec ses IGBT de 6e génération, permet un fonctionnement à une température limite maximale (Tj) de 175 °C. La série NX a été testée dans deux conditions de fonctionnement (Tj(max) = 125 °C et Tj(max) = 175 °C). À Tj(max)=175 °C, l'IGBT de 6e génération affiche une durée de vie comprise entre Tj(max)=125 °C de la série NX actuelle et celle de la série H (pour Tj(max)=125 °C).
Conclusions :
Grâce au développement de la puce IGBT de sixième génération et d’une nouvelle interface FWDi, la série NX de modules IGBT de Mitsubishi permettra de réduire les pertes de puissance dans les applications de puissance. Pour l’utilisateur de modules IGBT, cela se traduira par une efficacité système accrue. De plus, la série NX offrira un conditionnement flexible et des caractéristiques améliorées, élargissant ainsi son champ d’application. La nouvelle série NX présente un fort potentiel pour le développement des futurs systèmes d’alimentation.
Auteur : Nishiyama Taketo, Yuji Miyazaki. Travaille pour le secteur des dispositifs électriques, Mitsubishi Electric Corporation, Japon.
Bibliographie
[1] Manabu Matsumoto et al. « Le développement d’un nouveau module IGBT avec des composants d’emballage unifiés » PCIM CHINA 2007.
[2] Takahashi Tetsuo, et al. « CSTBTTM (III) comme IGBT de nouvelle génération » ISPSD 2008.
[3] Satoh Katsumi, et al. « Nouvelle technologie de conception de puce pour le module de puissance de nouvelle génération » PCIM Europe 2008.
