Однако минимизация рассеиваемой мощности IGBT-модулей также является ключевым фактором для пользователей, которые требуют снижения общей стоимости системы, включая подавление электромагнитных помех и увеличение срока службы. Усовершенствовав нашу технологию CSTBT™ на втором этапе разработки серии NX, мы теперь можем предложить более подходящее решение.
Модуль IGBT серии NX
Модули IGBT обычно проектируются в различных размерах для удовлетворения требований к занимаемому пространству и стоимости. Кроме того, ассортимент модулей IGBT включает в себя множество различных элементов корпуса, таких как тип корпуса, основание, выводы, изоляторы и силовые микросхемы. Серия NX использует унифицированные корпуса и общие процессы сборки, что позволяет нам предлагать широкий спектр схемных модулей, не только отдельных модулей, но и конфигураций 2-в-1, 7-в-1 и CIB (преобразователь-инвертор-тормоз). Мы также можем предложить другие уникальные конфигурации по мере необходимости для определенных применений. Некоторые типы корпусов показаны на рисунке 1. Предлагается гибкость как в отношении конфигурации схемы, так и конструкции выводов.
Технологии микросхем:
прогресс в разработке IGBT-чипов.
На рисунке 2 показан показатель качества (FOM), отражающий переход в производительности IGBT. Показатель качества определяется как плотность тока чипа (JC), деленная на произведение напряжения насыщения (VCE(sat)) и потерь мощности при выключении (Eoff) на импульс на единицу тока при индуктивном переключении при Tj = 125 °C. Технология CSTBT™ имеет лучший показатель качества, чем технология траншейных IGBT. Показатель качества IGBT шестого поколения от Mitsubishi на 30% выше, чем у пятого поколения.
IGBT шестого поколения.
Чип IGBT шестого поколения основан на передовой технологии CSTBT™. На рисунке 3 сравниваются поперечные сечения IGBT шестого поколения с обычным IGBT пятого поколения. Оба типа имеют общую концепцию в технологии CSTBT™, используя эффект накопления носителей заряда (CS). В качестве первого шага в разработке IGBT шестого поколения структура пластины была изменена с технологии NPT (Non Punch Through) на технологию LPT (Light Punch Through) путем разработки технологии обработки тонких пластин [2]. Во-вторых, конструкция ячейки была оптимизирована для улучшения соотношения VCE(sat) - Esw(off).
Сужение канавки ячейки и оптимизация легирования слоя CS усиливают эффект CS в этом слое [3]. В результате достигается существенное улучшение соотношения компромисса VCE(sat)-Esw(off), как показано на рисунке 4. Ещё одним важным моментом является то, что характеристики потерь мощности IGBT имеют компромиссную зависимость от SCSOA (зоны безопасности короткого замыкания). На рисунке 5 показаны данные SCSOA, полученные для микросхем IGBT шестого поколения. Оптимизация слоя CS и конструкция ячейки обеспечивают устойчивость к короткому замыканию более 10 мс без ущерба для характеристик потерь мощности IGBT.
Новая конструкция FWDi.
На рисунке 6 показана структура нового обратноходового диода (FWDi) в сравнении с традиционным FWDi. Как показано на рисунке 7, технология обработки тонких пластин способствует улучшению компромисса между прямым напряжением VF и восстановлением потерь при переключении Esw(rec).
'
Поведение при включении питания:
Уменьшение отношения dv/dt во время включения питания обычно помогает подавить электромагнитные помехи, излучаемые оборудованием. Как правило, путем управления скоростью затвора внешней цепи можно уменьшить отношение dv/dt при включении питания; в противном случае уменьшение dv/dt увеличит потери при включении питания (Esw(on)) в микросхеме IGBT. На рисунке 8 показана взаимосвязь между Esw(on) и dv/dt. Скорость переключения можно регулировать изменением сопротивления затвора. Esw(on) микросхем IGBT 6-го поколения на 20% ниже, чем у обычных IGBT в точке, где dv/dt = 7,5 кВ/мс, что мы принимаем за гипотетическое условие пользователя.
Плавность обратного значения восстановления в FWDi и обратная передаточная способность (Cres) в IGBT способствуют улучшению соотношения Esw(on)-dv/dt. Этот результат свидетельствует о том, что IGBT-транзисторы 6-го поколения обладают более широким диапазоном выбора и хорошей способностью к контролю потерь мощности в зависимости от уровня шума.
Поведение при выключении:
В момент выключения в N-слое присутствует множество пар электронов, дырок и свободных электронов, поэтому коллекторный ток не может резко прекратиться. Коллекторный ток постепенно уменьшается с течением времени, что зависит от времени жизни электронов. Кстати, в IGBT 6-го поколения удалось улучшить остаточный ток за счет оптимизации структуры LPT. На рисунке 9 показаны осциллограммы во время выключения. Остаточный ток чипов IGBT 6-го поколения ниже, чем у 5-го поколения. Более низкий остаточный ток приводит к более низким потерям Esw(off).
Потери мощности:
Потери мощности в обычных инверторах с ШИМ-управлением были оценены для модулей IGBT 5-го и 6-го поколений (см. рис. 10) для модуля с номинальным напряжением 1200 В/150 А, используемого при полной нагрузке 30 кВт при напряжении 400 В переменного тока. Сопротивление затвора в каждом устройстве было выбрано таким образом, чтобы отношение dv/dt давало одинаковое значение (7,5 кВ/мс). Общие потери мощности в микросхеме IGBT/FWDi состоят из потерь на переключение и статических потерь. Наши расчеты показывают, что потери модуля IGBT шестого поколения на 20% ниже, чем у обычного модуля.
Тепловое моделирование:
Тепловое моделирование серии NX показано на рисунке 11. Моделирование проводилось с учетом устройства серии NX на 1200 В/1000 А, упакованного в корпус «2 в 1», с входным напряжением 400 В, работающего с инвертором мощностью 185 кВт при полной нагрузке. Температура перехода (Tj) для модуля IGBT 6-го поколения в среднем на 25 °C ниже, чем у обычных IGBT. Температура перехода нового FWDi в среднем на 21 °C ниже, чем у обычного FWD. Таким образом, можно уменьшить занимаемое пространство, вес и стоимость системы охлаждения.
Ограничения надежности:
Во многих случаях срок службы модуля IGBT определяется термической усталостью перехода при прерывистой работе. На рисунке 12 показан срок службы новейшего модуля серии NX по сравнению со старым модулем (серия H). Серия NX с IGBT 6-го поколения имеет тот же срок службы, что и текущая серия NX, и превосходит серию H. Кстати, увеличение максимального предельного значения температуры перехода, Tj, также рассматривается как требование при проектировании нового силового оборудования. Серия NX с IGBT 6-го поколения позволяет работать при максимальном предельном значении температуры, Tj, 175 °C. Серия NX была протестирована в двух режимах работы (Tj(max) = 125 °C и Tj(max) = 175 °C). При Tj(max)=175 °C IGBT 6-го поколения демонстрирует срок службы в диапазоне температур Tj(max)=125 °C для текущей серии NX и серии H (при Tj(max)=125 °C).
Выводы:
Разработка чипа IGBT шестого поколения и нового интерфейса FWDi позволит улучшить показатели потерь мощности в силовых приложениях благодаря серии IGBT-модулей Mitsubishi NX. Для пользователей IGBT-модулей это будет означать повышение эффективности системы. Кроме того, серия NX предложит гибкие возможности компоновки и улучшенные характеристики устройств, расширяя область их применения. Новая серия NX обладает большим потенциалом для развития будущих силовых систем.
Авторы: Нисияма Такето, Юдзи Миядзаки. Работает в подразделении силовых устройств корпорации Mitsubishi Electric, Япония.
Библиография
[1] Манабу Мацумото и др. «Разработка нового модуля IGBT с унифицированными компонентами корпуса», PCIM CHINA 2007.
[2] Такахаси Тэцуо и др. «CSTBT™ (III) как IGBT следующего поколения», ISPSD 2008.
[3] Сато Кацуми и др. «Новая технология проектирования микросхем для силовых модулей следующего поколения», PCIM Europe 2008.
