Tuttavia, la minimizzazione della dissipazione di potenza dei moduli IGBT è un aspetto fondamentale per gli utenti che richiedono un costo totale del sistema inferiore, inclusa la soppressione delle interferenze elettromagnetiche e una maggiore durata nel tempo. Grazie al miglioramento della nostra tecnologia CSTBT™ come secondo passo nello sviluppo della serie NX, siamo ora in grado di offrire una soluzione più adeguata.
Modulo IGBT serie NX
I moduli IGBT sono generalmente progettati in diverse dimensioni per soddisfare i requisiti di spazio e di costo. Inoltre, la gamma di moduli IGBT comprende molti elementi di incapsulamento differenti, come il tipo di incapsulamento, la base, i terminali, gli isolanti e i chip di potenza. La serie NX utilizza incapsulamenti unificati e processi di assemblaggio comuni, consentendoci di offrire un'ampia gamma di moduli circuitali, non solo singoli moduli, ma anche configurazioni 2-in-1, 7-in-1 e CIB (convertitore-inverter-freno). Possiamo anche offrire altre configurazioni personalizzate in base alle esigenze di specifiche applicazioni. Alcuni tipi di incapsulamento sono illustrati nella Figura 1. La flessibilità è garantita sia per la configurazione del circuito che per la progettazione dei terminali.
Tecnologie dei chip:
Progressi dei chip IGBT.
La Figura 2 mostra il FOM, che indica la transizione prestazionale degli IGBT. Il FOM è definito come la densità di corrente del chip (JC), divisa per il prodotto della tensione di saturazione (VCE(sat)) e della perdita di potenza allo spegnimento (Eoff) per impulso per unità di corrente nella commutazione induttiva a Tj = 125 °C. La tecnologia CSTBT™ ha un FOM migliore rispetto alla tecnologia IGBT a trincea. Il FOM degli IGBT di sesta generazione di Mitsubishi è superiore del 30% rispetto a quello della quinta generazione.
IGBT di sesta generazione
Il chip IGBT di sesta generazione si basa sulla tecnologia avanzata CSTBT™. La Figura 3 confronta le viste in sezione trasversale dell'IGBT di sesta generazione con quelle dell'IGBT convenzionale di quinta generazione. Entrambi i tipi condividono un concetto comune nella tecnologia CSTBT™ utilizzando l'effetto Carrier Stored (CS). Come primo passo nello sviluppo dell'IGBT di sesta generazione, la struttura del wafer è stata modificata dalla tecnologia NPT (Non Punch Through) alla tecnologia LPT (Light Punch Through) attraverso lo sviluppo di una tecnologia di processo per wafer sottili [2]. In secondo luogo, il design della cella è stato ottimizzato per migliorare il rapporto di compromesso VCE(sat) - Esw(off).
Il restringimento della scanalatura della cella e l'ottimizzazione del drogaggio dello strato CS migliorano l'effetto CS in questo strato [3]. Il risultato è un drastico miglioramento del rapporto di compromesso VCE(sat)-Esw(off), come mostrato nella Figura 4. Un'altra considerazione importante è che le prestazioni di perdita di potenza dell'IGBT hanno una relazione di compromesso con l'SCSOA (Short Circuit Safety Area). La Figura 5 mostra i dati SCSOA ottenuti per la sesta generazione di chip IGBT. L'ottimizzazione dello strato CS e la progettazione della cella garantiscono una capacità di resistenza al cortocircuito superiore a 10 ms senza compromettere le prestazioni di perdita di potenza dell'IGBT.
Nuovo design FWDi
La Figura 6 mostra la struttura di un nuovo design di diodo flyback (FWDi) rispetto a un FWDi convenzionale. Come mostrato nella Figura 7, la tecnologia di processo a wafer sottili contribuisce a migliorare il compromesso tra la tensione diretta VF e il recupero della perdita di commutazione Esw(rec).
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Comportamento di accensione:
la riduzione del rapporto dv/dt durante la commutazione all'accensione contribuisce in genere a sopprimere il rumore EMI irradiato dall'apparecchiatura. Generalmente, controllando la velocità di gate di un circuito esterno, è possibile ridurre il dv/dt di accensione; altrimenti, la riduzione del dv/dt aumenterà la perdita di accensione (Esw(on)) nel chip IGBT. La Figura 8 mostra la relazione di compromesso tra Esw(on) e dv/dt. La velocità di commutazione può essere controllata modificando la resistenza di gate. L'Esw(on) dei chip IGBT di sesta generazione è inferiore del 20% rispetto a quella degli IGBT convenzionali nel punto in cui dv/dt = 7,5 kV/ms, che assumiamo come condizione ipotetica dell'utente.
La regolarità del valore di recupero inverso nel FWDi e la capacità di trasferimento inversa (Cres) nell'IGBT contribuiscono a migliorare il rapporto di compromesso Esw(on)-dv/dt. Questo risultato implica che gli IGBT di sesta generazione hanno una gamma di selezione più ampia e una buona capacità di controllo della perdita di potenza in funzione del livello di rumore.
Comportamento di spegnimento:
al momento dello spegnimento, nello strato N sono presenti numerose coppie di elettroni lacune ed elettroni liberi, pertanto la corrente di collettore non può interrompersi bruscamente. La corrente di collettore diminuisce gradualmente nel tempo, a seconda della durata di vita degli elettroni. A tal proposito, la sesta generazione di IGBT ha migliorato la corrente di coda grazie all'ottimizzazione della struttura LPT. La Figura 9 mostra le forme d'onda durante lo spegnimento. La corrente di coda dei chip IGBT di sesta generazione è inferiore a quella della quinta generazione. Una corrente di coda inferiore comporta minori perdite Esw(off).
Prestazioni di perdita di potenza:
La perdita di potenza nelle applicazioni generali degli inverter PWM è stata stimata sia per i moduli IGBT di quinta che di sesta generazione (vedere Figura 10) per un modulo nominale da 1200 V/150 A utilizzato a pieno carico con una capacità di 30 kW a 400 VAC. La resistenza di gate è stata selezionata in ciascun dispositivo in modo che il rapporto dv/dt producesse lo stesso valore (7,5 kV/ms). La perdita di potenza totale in un chip IGBT/FWDi è costituita dalla perdita di commutazione e dalla perdita statica. I nostri calcoli mostrano che le perdite del modulo IGBT di sesta generazione sono inferiori del 20% rispetto a quelle del modulo convenzionale.
Simulazione termica:
La simulazione termica della serie NX è mostrata in Figura 11. La simulazione è stata eseguita ipotizzando un dispositivo della serie NX da 1200 V/1000 A, incapsulato in un package 2-in-1, con un ingresso di 400 V, che alimenta un inverter da 185 kW a pieno carico. La temperatura di giunzione (Tj) di un modulo IGBT di sesta generazione è in media inferiore di 25 °C rispetto a quella degli IGBT convenzionali. La temperatura di giunzione del nuovo FWDi è in media inferiore di 21 °C rispetto a quella del FWD convenzionale. Pertanto, è possibile ridurre l'ingombro, il peso e il costo del sistema di raffreddamento.
Limiti di affidabilità:
In molti casi, la durata di un modulo IGBT è dominata dalla fatica termica a livello della giunzione durante il funzionamento intermittente. La Figura 12 mostra la durata del modulo più recente della serie NX rispetto al modulo precedente (serie H). La serie NX, con i suoi IGBT di sesta generazione, ha la stessa durata della serie NX attuale ed è migliore della serie H. Inoltre, un aumento del limite massimo di temperatura di giunzione, Tj, è considerato un requisito fondamentale nella progettazione di nuove apparecchiature di potenza. La serie NX, con i suoi IGBT di sesta generazione, consente il funzionamento a un limite massimo di temperatura, Tj, di 175 °C. La serie NX è stata testata in due condizioni operative (Tj(max) = 125 °C e Tj(max) = 175 °C). A Tj(max)=175 °C, l'IGBT di sesta generazione mostra una durata di vita compresa tra Tj(max)=125 °C della serie NX attuale e quella della serie H (per Tj(max)=125 °C).
Conclusioni:
Grazie allo sviluppo del chip IGBT di sesta generazione e del nuovo FWDi, la serie di moduli IGBT Mitsubishi NX offrirà perdite di potenza ridotte per le applicazioni di potenza. Per gli utilizzatori di moduli IGBT, ciò si tradurrà in una maggiore efficienza del sistema. Inoltre, la serie NX offrirà un packaging flessibile e caratteristiche del dispositivo migliorate, ampliando il suo campo di applicazione. La nuova serie NX ha un grande potenziale per lo sviluppo dei futuri sistemi di potenza.
Autore: Nishiyama Taketo, Yuji Miyazaki. Opere per dispositivi di potenza, Mitsubishi Electric Corporation, Giappone.
Bibliografia
[1] Manabu Matsumoto et al. “Lo sviluppo di un nuovo modulo IGBT con componenti di package unificato” PCIM CHINA 2007.
[2] Takahashi Tetsuo, et al. “CSTBTTM (III come IGBT di nuova generazione” ISPSD 2008.
[3] Satoh Katsumi, et al. “Nuova tecnologia di progettazione di chip per moduli di potenza di nuova generazione” PCIM Europe 2008.
