Универсальные устройства IGBT7, незаменимые для приводов электродвигателей, будут использоваться в самых разных отраслях, включая аэрокосмическую промышленность, возобновляемую энергетику, системы хранения энергии (ESS), центры обработки данных, а также коммерческую и сельскохозяйственную технику.

Биполярный транзистор с изолированным затвором (IGBT) — это силовой полупроводниковый прибор, состоящий из коллектора, эмиттера и затвора. Он называется биполярным, потому что проводимость происходит за счет движения электронов и дырок. IGBT являются мощными драйверами для широкого спектра применений в силовой электронике, таких как преобразователи мощности, инверторы и прерыватели. IGBT широко используются в системах и оборудовании, работающих от сети переменного тока, со средней и высокой коммутационной способностью, от нескольких кВт до МВт. Силовые модули на основе IGBT являются важными компонентами в современной силовой электронике. Эти модули управляют и преобразуют электрическую энергию в различных областях применения, включая приводы промышленных двигателей, системы возобновляемой энергии, электромобили (EV) и электросети.

IGBT7 следующего поколения

Седьмое поколение силовых модулей на базе IGBT теперь доступно в семи многокомпонентных корпусах. Эти устройства отличаются более низкими значениями VCE(sat) и VF, перегрузочной способностью при температуре перехода 175°C, на 50% большей токовой мощностью, улучшенной управляемостью dv/dt, повышенной плавностью FWD и более простым управлением по сравнению с предыдущими поколениями. Эти характеристики обеспечивают уникальное соотношение цены и качества: высокая удельная мощность, долговечность, снижение системных затрат, повышенная эффективность, простота использования и более быстрый выход на рынок.

Технология IGBT7 Trech

В транзисторе IGBT Trench7 используется технология микротранзисторных ячеек (MPT), состоящая из параллельных ячеек с траншеями, разделенных субмикронными плато, в отличие от квадратных ячеек с траншеями, использовавшихся в предыдущем поколении. На рисунке 1 показано поперечное сечение различных технологий, от траншейной до IGBT7. В траншейных ячейках IGBT7 увеличивается накопление носителей заряда вблизи эмиттерного электрода благодаря меньшему шагу ячеек и узким плато между затворами. Это приводит к улучшению электропроводности в дрейфовой зоне, что, в свою очередь, значительно снижает прямое напряжение, приводя к уменьшению потерь проводимости в технологии IGBT7.

Рисунок 1. Эволюция технологии IGBT

Рисунок 2. Сравнение технологий IGBT (IGBT3 (T3/E3) при TVJ (op): 125 °C, а IGBT4 и IGBT7 при TVJ (op): 150 °C)

На рисунке 2 представлено сравнительное описание различных поколений IGBT, включая поколения 2, 3, 4 и последнее — IGBT7. IGBT7 имеет самое низкое напряжение в открытом состоянии, на 15–20% меньше, чем у предыдущего поколения, IGBT4. Низкие потери в открытом состоянии приводят к низким потерям проводимости и, в свою очередь, повышают эффективность в низко- и среднечастотных коммутационных приложениях. Кроме того, IGBT7 имеет мягкий антипараллельный диод с улучшенными характеристиками восстановления в режиме ожидания и низким прямым напряжением (Vf), что еще больше снижает потери и обеспечивает более высокую плотность мощности.

IGBT7 Гамма

Силовые модули IGBT7 выпускаются в стандартных 62-мм корпусах для фазовых или полумостовых конфигураций в корпусе D3 и для конфигураций с монопереключателями в корпусе D4. Microchip предлагает низкоиндуктивные, низкопрофильные 62-мм корпуса, такие как SP6C, SP6P и SP6LI, которые обеспечивают уменьшенную высоту профиля и меньшую индуктивность корпуса, что позволяет достичь высокой плотности мощности и высокой надежности.
Более низкие уровни мощности могут быть достигнуты с помощью меньших корпусов, таких как SP1F и SP3F, которые также являются низкопрофильными корпусами, доступными в различных конфигурациях. Номинальные значения тока достигают 900 А при напряжении 1200 В и 1700 В.

Рисунок 3. IGBT7 Гамма

Рисунок 4. Топологии IGBT7

Таблица 1. Характеристики диапазона IGBT7, преимущества применения и преимущества для конечного пользователя

Более низкое напряжение активного состояния VCE (sat) и более низкое напряжение Vf с улучшенным FWD.
Благодаря снижению напряжения активного состояния на 15–20%, потери значительно уменьшаются вплоть до средних частот переключения, при этом снижаются потери проводимости при заданном ограничении dv/dt и уменьшаются потери в антипараллельных диодах.

Потери проводимости в IGBT прямо пропорциональны напряжению насыщения (VCE(sat)) технологии IGBT. Типичное значение VCE(sat) для IGBT7 составляет около 1,77 В при температуре перехода 175 °C, что значительно ниже, чем VCE(sat) для IGBT4, которое составляет 2,1 В при температуре перехода 150 °C. Это 15%-ное снижение VCE(sat) существенно уменьшает потери проводимости.

Кроме того, снижение прямого напряжения антипараллельного диода помогает уменьшить потери в диоде, поэтому улучшенный диод снижает прямое напряжение на 100 мВ по сравнению с IGBT4, что дополнительно снижает проводимость.

• Общие потери проводимости = потери проводимости IGBT + потери проводимости диода
• Общие потери при переключении = потери при переключении IGBT + потери при переключении диода
• Общие потери мощности = общие потери при переключении + общие потери мощности
• КПД = выходная мощность/входная мощность = входная мощность + общие потери мощности/входная мощность

Таблица 2. Пример сравнения характеристик IGBT4 и IGBT7 VCE (sat)

Допустимая перегрузка при TVJ(op) составляет 175 °C.
Максимальная температура перехода составляет 175 °C по сравнению со 150 °C для IGBT4, что критически важно для приводов двигателей, работающих в режиме повторяющихся кратковременных перегрузок. Силовые модули IGBT7 разработаны для сложных условий эксплуатации, поскольку они выдерживают температуру перехода 175 °C в условиях перегрузки по сравнению со 150 °C для IGBT4. Это улучшение на 25 °C не только обеспечивает значительные преимущества с точки зрения надежности и долговечности силового инвертора привода, но также может привести к экономии средств благодаря превосходному соотношению производительности и стоимости IGBT7 по сравнению с любой другой технологией.

Рисунок 5. Сравнение максимальной рабочей температуры перехода между IGBT7 и IGBT предыдущих поколений.

Контроллеры инверторных двигателей используются в самых разных областях, таких как коммерческий и сельскохозяйственный транспорт (CAV), промышленные предприятия и железные дороги, где важно выдерживать кратковременные перегрузки при работе при нормальной рабочей температуре не менее 1 минуты/60 секунд.

Таблица 3. Примеры продолжительности перегрузок для многофазных двигателей, питаемых от инвертора (согласно ANSI/NEMA MG 1-2016 (пересмотрено в 2018 г.))

То же самое относится и к таким приложениям, как системы бесперебойного питания (ИБП), где кратковременные перегрузки имеют решающее значение для характеристик электропитания, поскольку типичная продолжительность перегрузок может значительно варьироваться, например, 110% в течение 10 минут + 125% в течение 120 секунд + 150% в течение 15 секунд.

В течение этих периодов полной перегрузки инвертор, а следовательно, и переключатели, пропускают больший ток, что приводит к повышению температуры перехода. Силовой переключатель должен быть способен выдерживать эту перегрузку и износ, вызванный повторяющимися перегрузками, на протяжении всего срока службы. Повторяющиеся перегрузки являются распространенной проблемой в промышленных электродвигателях и должны учитываться при проектировании инвертора и выборе соответствующих полупроводниковых силовых переключателей. Поддержание долговечности переключателя в течение этих периодов перегрузки имеет решающее значение для долговременной и надежной работы.

Улучшенное управление dv/dt

Высокий уровень управляемости (возможность изменять dv/dt путем регулирования сопротивления затвора (Rg)) позволяет адаптировать инвертор к требованиям изоляции двигателя или ограничениям электромагнитной совместимости. Инверторы используются для управления двигателями с помощью сигналов широтно-импульсной модуляции (ШИМ), которые не создают синусоидальных выходных сигналов напряжения. Помимо гармоник низкого порядка, эти сигналы также имеют наложенные пики напряжения с одной амплитудой и резким фронтом. Изоляция между витками, между фазами и заземлением обмоток статора подвергается возникающим диэлектрическим напряжениям. Высокая частота переключения подразумевает более длительное и крутое время нарастания импульса. Это более длительное время нарастания импульса переключения приводит к высокому значению dv/dt, что усугубляется использованием длинных кабелей от инвертора к двигателю в системах управления двигателем, что приводит к более высоким пиковым напряжениям непосредственно на клеммах двигателя. Время нарастания также может повредить подшипники из-за вихревых токов, протекающих от ротора к корпусу двигателя. Эти опасно высокие скачки напряжения, вызванные временем нарастания, могут привести к электрической дуге и, в конечном итоге, к повреждению изоляции. Более длинные кабели двигателя приводят к еще более высоким скачкам напряжения, пиковые значения которых достигают пятикратного значения рабочего напряжения системы (>2000 В для систем 415 В). Эти высокие скачки напряжения могут вызвать пробой изоляции, приводя к коротким замыканиям между фазами или между витками и, следовательно, к срабатыванию защиты от перегрузки по току датчика привода.

По этой причине производители электродвигателей настоятельно рекомендуют не превышать значение dv/dt в 5 кВ/мкс на клеммах инвертора в наихудшем сценарии для типичных трехфазных двигателей переменного тока 380/415/440 В. Чем больше длина соединения между двигателем и инвертором, тем выше вероятность скачков и внезапных перепадов напряжения dv/dt, которые могут повысить напряжение на клеммах двигателя до опасного уровня. Важно оптимизировать градиент напряжения dv/dt в соответствии с требованиями к изоляции двигателя при тщательном проектировании универсального промышленного привода. Для достижения этой оптимизации IGBT7 демонстрирует высочайший уровень точности в управлении способностью инвертора переключать dv/dt путем регулировки сопротивления затвора (Rg).

Рисунок 6. Напряжение двигателя на клеммах двигателя

При увеличении Rg значения dv/dt как во включенном, так и в выключенном состоянии уменьшаются, при этом значение dv/dt во включенном состоянии значительно снижается, когда Rg находится в оптимальном диапазоне. Необходимо оптимизировать значение Rg для достижения желаемого значения dv/dt < 5 кВ/мкс.

Рисунок 7. Оптимизация dv/dt с Rg с использованием IGBT7

По специальному запросу компания Microchip может предоставить график Rg и ​​соответствующий график dv/dt для оптимизации dv/dt, что снимает основные проблемы проектирования для инженеров, занимающихся разработкой и применением промышленных электроприводов.

Простое и понятное управление затвором.
Емкость затвор-эмиттер (CGE) и емкость затвор-коллектор (CGC) сбалансированы, что обеспечивает IGBT7 полный контроль над dv/dt и оптимизирует форму сигнала переключения. Конструкция CGE позволяет избежать паразитных эффектов включения, поэтому возможно питание при нулевом напряжении для выключения (питание однополярного драйвера затвора).

Рисунок 8. Схема драйвера IGBT7

Более высокая токовая нагрузка:
чип IGBT7 по своей природе обладает более высокой токовой нагрузкой, чем чип IGBT4 предыдущего поколения. Это приводит к большей выходной мощности при тех же габаритах, что позволяет уменьшить размер стойки, а значит, использовать меньшую стойку вместо большей. Это также повышает общую плотность мощности, поскольку позволяет разместить больше энергии на заданной площади, исключает необходимость параллельного подключения нескольких коммутаторов, снижает сложность и повышает надежность и долговечность. Более высокая плотность мощности снижает стоимость комплектующих системы питания и ускоряет вывод продукции на рынок.

Рисунок 9. Увеличенный размер рамки при увеличении тока на 50% в том же корпусе.

Корпуса с низкой индуктивностью и низким профилем:
Корпуса Microchip с низкой паразитной индуктивностью снижают скачки напряжения, повышая долговечность и надежность. Низкий профиль позволяет разместить больше мощности в меньшем объеме, повышая плотность мощности при использовании с технологией IGBT7.

Благодаря более низкому импульсному напряжению пользователю относительно проще использовать модули на 1200 В для звеньев постоянного тока до 700–800 В вместо 1700 В, при условии, что общая конструкция инвертора имеет низкую индуктивность и интегрированные шины. Это приводит к значительной экономии не только на модулях, но и на плате управления затвором, что ведет к снижению стоимости системы электропитания.

Таблица 4.

Рисунок 10. Дифференцированная упаковка микрочипов

Рисунок 11. Основные области применения IGBT7

Характеристики IGBT7 и их преимущества для конечного пользователя делают эти силовые модули универсальными для множества применений и мегатрендов, от низкочастотных до среднечастотных режимов переключения. Простота использования, отсутствие сложности в механизме управления затвором, упрощает проектирование и исключает необходимость в разработке новых контроллеров. Различные топологии могут легко использоваться в качестве строительных блоков для преобразователей в различных областях применения, обеспечивая гибкость проектирования и более быстрый выход на рынок. Благодаря своей универсальности, силовые модули IGBT7 позволяют использовать их в широком спектре применений, включая солнечную и ветровую энергетику, электроприводы, системы хранения энергии (ESS), коммерческий и сельскохозяйственный транспорт (CAV), центры обработки данных, железные дороги, электромобильность, передачу и распределение электроэнергии, а также авиацию, предлагая клиентам значительные преимущества с точки зрения мощности, точности и производительности.

Ссылки:
https://www.fluke.com/en-us/learn/blog/power-quality/cable-length-vfd-motors
https://www.nema.org/docs/default-source/standards-document-library/mg-1-part-31-watermark.pdf?sfvrsn=649fb42f_1
Руководство по применению силовых полупроводников (Semikron)
Примечание по применению TRENCHSTOP™ 1200 V IGBT7 T7 (Infineon) (AN2018-14)
Уголок технологий Амита, Новости авиации и обороны Microchip

Автор: Амит Голе, менеджер по маркетингу интегрированных решений в области электропитания в компании Microchip Technology.