В этой статье описываются конструкция и электрические характеристики гибридного силового модуля SiC.
Сигэру Хасегава*, Кадзухиро Моришита*, * Юкимаса Хаясида, Шиничи Иура*, Кадзухиро Курачи*, Исао Умедзаки*, * Хироши Ямагути, Ёсинори Мацуно*, * Тацуо Харада, Хироси Ватанабэ*, * Ясуси Накаяма, Такаёси Мики*, Мицутака Ивасаки*, * Такеши Ои, Тацуо Оомори *, Хироаки Сумитани *, Ойген Штумпф **
* Mitsubishi Electric Corporation, Япония
** Mitsubishi Electric Europe BV, Германия
1. Введение.
Энергосбережение является одной из важнейших задач для окружающей среды планеты. Мощные полупроводниковые модули — ключевые устройства для повышения эффективности силовой электроники.
Сегодня кремниевые IGBT-модули широко используются в энергетическом оборудовании, таком как железнодорожное, автомобильное и промышленное оборудование управления двигателями. В последнее время силовые устройства на основе карбида кремния (SiC) исследуются как усовершенствование по сравнению с традиционными кремниевыми устройствами. Мы уже сообщали об электрических характеристиках прототипа гибридного силового модуля на основе SiC [1]. Теперь мы разработали гибридный силовой модуль на основе SiC с высоким током и низкими потерями мощности, рассчитанный на напряжение 1,7 кВ, состоящий из недавно разработанного Si-IGBT и SiC-SBD в качестве обратноходового диода. В этой статье описывается конструкция и электрические характеристики недавно разработанного гибридного силового модуля на основе SiC.
2. Проектирование гибридного силового модуля на 1,7 кВ с использованием SiC.
2.1. SiC-SBD и Si-IGBT.
Карбид кремния (SiC) обладает сопротивлением пробоя в электрическом поле примерно в десять раз большим, чем кремний (Si). Таким образом, толщина силового чипа на основе SiC может быть меньше, чем толщина силового чипа на основе Si. Это позволяет значительно снизить потери мощности в силовых устройствах на основе SiC, особенно для высоковольтных полупроводников. SiC позволяет использовать диоды Шоттки (SiC-SBD) в высоковольтных приложениях, что невозможно с кремниевыми SBD из-за их высокого рабочего напряжения. SBD является униполярным устройством и не имеет обратного восстановления при выключении диода. Поскольку в SBD отсутствуют накопительные носители, обычные потери обратного восстановления диода снижаются до пренебрежимо малого уровня по сравнению с обычным кремниевым диодом.
Кроме того, снижаются потери при включении IGBT, поскольку заряд восстановления диода не перекрывается с током включения IGBT.
Гибридный силовой модуль на 1,7 кВ на основе SiC состоит из Si-IGBT и SiC-SBD. На рисунке 1 показана фотография чипа SiC-SBD на 1,7 кВ. Размер чипа составляет 6,58 мм x 6,58 мм.
Была выбрана кольцевая ограничивающая терминальная структура, предназначенная для получения однородного электрического поля и обеспечивающая блокирующее напряжение более 1,9 кВ при комнатной температуре.
В наших модулях высоковольтных IGBT-транзисторов серии N используется новейшее поколение кремниевых IGBT-транзисторов с напряжением 1,7 кВ — это CSTBT™ пятого поколения. Разработан новый CSTBT™ шестого поколения с напряжением 1,7 кВ, в котором улучшена конструкция ячейки IGBT и вертикальная структура. По сравнению с традиционными кремниевыми модулями серии N также улучшен компромисс между рабочим напряжением и потерями при выключении.
2.2. Конструкция гибридного модуля SiC.
Схема нового гибридного силового модуля SiC на 1,7 кВ показана на рисунке 3. Эта схема совместима по корпусу с обычными кремниевыми модулями серии N.
На рисунке 4 показана внутренняя схема цепи. Два ответвления объединены в один модуль. Номинальный ток одного ответвления составляет 1,2 кА. Следовательно, этот модуль является двойным модулем на 1,2 кА.
На рисунке 5 показана внутренняя конструкция модуля. Модуль состоит из четырех подложек, как показано на рисунке 6. Каждая ветвь на 1,2 кА состоит из двух подложек.
Одна подложка состоит из четырех Si-IGBT и восьми SiC-SBD. Количество и размер Si-IGBT такие же, как и в обычном Si-модуле, но размер SiC-SBD меньше, а их количество больше, чем в Si-модуле. Это связано с низкой производительностью большого SiC-чипа, и желательно улучшение качества SiC-пластины.
Максимальная рабочая температура обычного SiC-модуля N-серии составляет 125°C. Благодаря использованию недавно разработанного чипсета, прочного высокотемпературного геля и оптимизированной конструкции чипа, наш новый гибридный SiC-модуль может работать при температуре Tj=150°C.
Несколько SiC-SBD чипов соединены параллельно. В результате, благодаря оптимизированной конструкции чипа и структуре модуля, разработанный гибридный SiC-модуль обладает высокой пропускной способностью по двум токам — 1,2 кА.
3. Электрические характеристики гибридного модуля SiC
3.1. Статические характеристики
На рисунке 7 показаны кривые активного напряжения Si-IGBT и гибридного модуля SiC, измеренные при Tj = 25 °C и 150 °C. Кривая активного напряжения SiCSBD показана на рисунке 8. При Tj = 150 °C падение активного напряжения при номинальном токе 1,2 кА для IGBT составляет VCEsat = 2,30 В, а для SiC-SBD — Vec = 2,30 В.
Оба IGBT и SiC-SBD имеют положительный температурный коэффициент. Это преимущество для сильноточных модулей, состоящих из множества параллельно соединенных микросхем.
3.2. Характеристики переключения при номинальном токе
На рисунке 9 показана форма сигнала выключения SiC-SBD, измеренная в номинальных условиях: IF = 1,2 кА, Vr = 850 В и Tj = 150°C. Обычный кремниевый диод представляет собой биполярное устройство с обратным зарядом восстановления во время выключения диода. SiC-SBD — это униполярное устройство без обратного заряда восстановления, и шум присутствует только из-за емкости перехода. Потери при выключении кремниевого диода (потери обратного восстановления) с тем же коэффициентом, что и у кремния N-серии при номинальном токе составляют 0,22 Дж/импульс при Tj = 125°C. Потери при выключении диода в разработанном гибридном модуле SiC при номинальном токе составляют 0,01 Дж/импульс при Tj = 150°C. По сравнению с обычным кремниевым модулем, потери при выключении нового гибридного модуля SiC снижены на 95%, несмотря на высокую рабочую температуру.
На рисунке 10 показана форма сигнала включения Si-IGBT при номинальном токе (1,2 кА) и температуре Tj = 150°C. В качестве обратноходового диода используется SiC-SBD без нагрузки обратного восстановления; следовательно, потери при включении Si-IGBT также снижены. Потери при включении обычного N-последовательного IGBT при том же соотношении и номинальном токе составляют 0,40 Дж/импульс при Tj = 125°C. Потери при включении IGBT разработанного гибридного модуля SiC при номинальном токе составляют 0,18 Дж/импульс при Tj = 150°C. По сравнению с обычным кремниевым модулем, потери при включении IGBT гибридного модуля SiC снижены на 55%, несмотря на более высокую рабочую температуру.
На рисунке 11 показана форма сигнала выключения недавно разработанного кремниевого IGBT 6-го поколения при номинальном токе (1,2 кА) и температуре Tj = 150 °C. Напряжение в открытом состоянии VCEsat составляет 2,30 В, а потери при выключении — 0,34 Дж/импульс при Tj = 150 °C. Для обычного кремниевого модуля напряжение в открытом состоянии (VCEsat) составляет 2,60 В, а потери при выключении — 0,37 Дж/импульс при номинальных условиях при Tj = 125 °C. Как правило, напряжение в открытом состоянии VCEsat и потери при выключении IGBT имеют взаимосвязь. При сравнении характеристик IGBT недавно разработанного гибридного SiC-модуля с обычным кремниевым модулем (серия N) напряжение VCE(sat) примерно на 0,3 В ниже, 
а потери при выключении практически такие же или меньше. Кроме того, рабочая температура выше.
В таблице 1 представлено сравнение измеренных характеристик разработанного гибридного модуля SiC и обычного кремниевого модуля N-серии с тем же соотношением.
Несмотря на более высокую рабочую температуру (Tj = 150 °C) гибридного модуля SiC по сравнению с Tj = 125 °C кремниевого модуля, достигается значительное снижение потерь мощности.
3.3. Переключающая способность SOA.
Несмотря на то, что гибридный модуль SiC имеет высокий номинальный ток и максимальную рабочую температуру Tj=150°C, он обладает широкой переключающей способностью. Гибридный модуль SiC имеет большую способность к выключению.
На рисунке 12 показана форма сигнала выключения IGBT в условиях высокого тока при Tj=150°C и напряжении звена постоянного тока Vcc=1,2 кВ. В этом тесте безопасно выключается ток 4,1 кА, что более чем в три раза превышает номинальный ток. На рисунке 13 показана способность гибридного модуля SiC к короткому замыканию при Tj=150°C и Vcc=1,2 кВ. Даже при стандартном напряжении затвора 15 В гибридный модуль SiC обладает способностью к короткому замыканию при VGE=18 В.
4. Заключение.
Мы разработали гибридный двухканальный силовой модуль на 1,7 кВ и 1,2 кА, состоящий из недавно разработанного Si-IGBT и SiC-SBD. Использование SiC-SBD позволяет значительно снизить потери мощности при выключении диода и включении IGBT. Кроме того, применение IGBT 6-го поколения дополнительно снижает потери при выключении IGBT. Благодаря использованию этого недавно разработанного чипсета, прочного высокотемпературного геля и подходящей конструкции чипа, новый гибридный SiC-модуль может работать при температуре Tj=150°C, даже несмотря на то, что максимальная рабочая температура обычных кремниевых модулей N-серии составляет 125°C.
По сравнению с кремниевым модулем N-серии с тем же соотношением, потери при выключении диода в новом гибридном силовом модуле на основе SiC снижены на 95%, а потери при включении IGBT — на 55%, несмотря на более высокую рабочую температуру.
По сравнению с кремниевым модулем, напряжение в открытом состоянии IGBT в гибридном силовом модуле на основе SiC на 0,3 В ниже, чем в обычном кремниевом модуле, но потери при выключении практически такие же или ниже, несмотря на более высокую рабочую температуру. Хотя гибридный модуль на основе SiC имеет высокий номинальный ток и максимальную рабочую температуру Tj = 150 °C, он отличается широким диапазоном переключения, высоким током выключения и устойчивостью к короткому замыканию. Преимущества нового гибридного силового модуля на основе SiC с напряжением 1,7 кВ подтверждены.
Литература
1. Y.Nakayama, T.Kobayashi, R.Nakagawa, K.Hata-naka, S.Hasegawa: Оценка работы железнодорожного двигателя с помощью инвертора с SIC-SBC, Ежегодное собрание IEE Japan 2010, 4-139
