задать вопрос консультанту online
Логотип компании ЭЛТЕХ

GenX3 IGBT компании IXYS

13.05.2014

Статья была опубликована в журнале "Силовая электроника" №3/2014

Abdus Sattar and Vladimir Tsukanov, Ph.D.

IXYS Corporation
1590 Buckeye Drive
Milpitas, California 95035 USA

перевод- Иван Полянский

 

Развитие и совершенствование технологических процессов производства IGBT транзисторов позволяет постоянно улучшать их параметры и снижать стоимость для конечного потребителя. Так, если сравнивать современные Trench Field Stop IGBT с изделиями 2-3 летней давности, то можно увидеть существенные улучшения статических и динамических параметров. Но вместе с тем, можно увидеть что улучшение одних характеристик IGBT привело одновременно к таким изменениям как увеличение заряда затвора, снижению максимального напряжения на затворе и сужению области безопасной работы SCSOA. Понятно, что данные изменения потребуют переработки защитных цепей схемы и более внимательного учета при проектировании паразитных индуктивностей и ряда иных параметров.

Таким образом, проектирование высоконадежной техники на новой элементной базе потребует дополнительных затрат на проектирование и дополнительные элементы защиты, что отразится в итоговой стоимости изделия.

Новые XPT IGBT компании IXYS ориентированы на те области применения, где помимо хороших статических и динамических характеристик, требуется и высокая надежность самих коммутирующих элементов. Технология XPT IGBT возникла из четкого понимания механизмов, приводящих к выходу из строя IGBT транзисторов в различных режимах эксплуатации. Сегодня выпускается несколько семейств XPT IGBT (eXtremely light Punch Through): 600V XPTTMGenX3, 650V XPTTMGenX3, 650V XPTTM Trench GenX4, 900V XPTTMGenX3 и 1200V XPTTMGenX3 IGBT.   

Поскольку XPT IGBT проектировались с учетом высоких требований к надежности, отличительными особенностями 600 и 650В транзисторов являются:

  • максимальная рабочая температура +175С и низкое тепловое сопротивление;
  • «квадратная» область безопасной работы RBSOA и способность выдерживать большие значения лавинной энергии, в том числе при работе на индуктивную нагрузку;
  • способность выдерживать короткое замыкание 10 мкС при температуре 150С и 360В (SCSOA)
  • положительный температурный коэффициент  прямого падения напряжения dVcesat и его малый разброс в партии;
  • Низкий заряд затвора и малую входную емкость при включении и выключении;
  • низкое соотношение Cres/Cies , что означает высокое допустимое напряжение на затворе при высоких рабочих температурах и малом сопротивлении затвора.

Чтобы продемонстрировать преимущества XPT IGBT , рассмотрим особенности их применения в различных схемах на примере семейства GenX3.

Компания IXYS рекомендует разработчикам применять эти транзисторы при температуре не выше 175 0С, что является максимально допустимой температурой кристалла. Если температура корпуса растет и приводит к росту температуры кристалла до максимально допустимого уровня в течение длительного времени, это может привести к необратимым изменениям элементов корпуса транзистора. Смысл максимально допустимой рабочей температуры 175 0С заключается в способности кристалла выдержать короткие импульсы мощности, приводящие к его разогреву до данной температуры, но не постоянный режим его работы. Тем не менее, достичь данного максимального значения температуры удалось за счет снижения теплового сопротивления кристалла, возникшего из-за того, что транзисторы XPT IGBT выполнены по «тонкой» технологии с малой толщиной кристалла, что помогает им более эффективно отвести тепло на основание корпуса транзистора.

Широкая область безопасной работы RBSOA и способность подавлять выбросы напряжения добавляют надежности в режимах коммутации индуктивной нагрузки, когда при закрывании транзистора наблюдается высокий ток коллектора, а также в мостовых схемах. В данных приложениях, транзисторы XPT IGBT способны работать при более высоких значениях di/dt и напряжении на коллекторе. Все это приводит к потенциальной возможности  коммутации на более высоких частотах, при более высоких токах и выбросах напряжения или же упрощает проектирование защитных элементов схемы.

Наличие расширенной области безопасной работы при коротком замыкании SCSOA упрощает выбор временных параметров схемы защиты, что часто требуется в схемах управления электродвигателями при остановке ротора, или же в преобразователях электроэнергии. Пример на Рис.1 показывает схему включения, когда короткое замыкание в нагрузке приводит к быстрому нарастанию тока коллектора  IGBT.

Режим короткого замыкания IGBT

По прошествию некоторого времени, температура транзистора существенно увеличится под воздействием большой рассеиваемой мощности. Поэтому, данный транзистор должен обладать способностью коммутировать большой ток при одновременно высоком напряжении на коллекторе. Ключом к «выживанию» транзистора в данных условиях будет его способность выдержать большой ток на протяжение временного промежутка, необходимого схеме защиты для распознавания аварийной ситуации и выключения транзистора. GenX3 XPT IGBT обеспечивают 10 мкС короткого замыкания, что является достаточно консервативным значением на фоне других технологий, предлагающих лишь 5 мкС. При этом, физически данная технология обеспечивает время короткого замыкания 20 мкС, что объясняет почему IXYS не ограничивает количество циклов КЗ в процессе эксплуатации данных транзисторов. Максимальный ток ограничения короткого замыкания GenX3 XPT IGBT существенно ниже чем у транзисторов Trench Field Stop и мы не ожидаем изменений каких-либо их параметров даже после десятков тысяч циклов КЗ.

В то же время, расширенная область безопасной работы FBSOA обеспечивает более высокую надежность в момент включения транзистора, когда особенно критична работа схемы управления и возможны ситуации, приводящие к снижению напряжения на затворе.

  • Положительный температурный коэффициент dVcesat/dT и малый разброс этого параметра в партиях позволяет легко включать данные транзисторы в параллель. Применение обратных диодов, выполненных по технологии SONIC, упрощает данный процесс, поскольку данные диоды обладают положительным температурным коэффициентом dVf/dT даже при сравнительно малом протекающем токе.
  • GenX3 IGBT имеют меньший заряд затвора Qg и входную емкость Cies, по сравнению с Trench Field Stop IGBT (см. табл.1.) Меньшие значения данных параметров обеспечивают уменьшение времени задержки переключения, что упрощает проектирование драйвера управления в высокочастотных схемах и уменьшает влияние паразитных индуктивностей в цепях управления.
  • Малая величина емкости Миллера и емкости затвор- эмиттер в совокупности с высоким допустимым напряжением управления на затворе и низким собственным сопротивлением затвора, обеспечивают данным транзисторам высокую устойчивость к скорости изменения напряжения dVce/dt и позволяют эффективно применять их при наличии помех, а также упрощать защитные цепи и делают их более устойчивыми к паразитному включению внешними воздействиями.

Технология GenX3 IGBT компании IXYS соответствует ведущим мировым стандартам производства IGBT и дополнена собственными разработками в области топологии кристаллов и технологическими процессами. Данное семейство IGBT будет активно развиваться в ближайшее время.

В настоящее время транзисторы GenX3 IGBT представлены в ряде модификаций для разных мощностей и скорости переключения (версии B и С),  как в стандартных промышленных корпусах, так и в уникальных корпусах IXYS, в конфигурации со встроенным обратным диодом и без него. Вы легко сможете выбрать ключ с нужными вам параметрами динамических и статических потерь, скорости и характеристики восстановления обратного диода. Новые IGBT GenX3 могут быть определены по маркировке IXX — третья буква «X» определяет принадлежность компонента к новому семейству. Дискретные транзисторы ориентированы для применения на частотах 5-30кГц (серия B) и 30-60 кГц (серия C).

Сравнение с Trench Field Stop IGBT

Таблица 1 показывает сравнение параметров транзистора IXXH50N60C3D1 компании IXYS и   транзистора IKW50N60H3 компании Infineon, на основании официальной документации.

Таблица 1: Сравнение транзистора IXXH50N60C3D1 с IKW50N60H3 (компании Infineon):

IGBT Part Number

Ratings

Volt/Amp at 25C

VCE(sat)

Volt

QG (nC)

tsc

SCSOA (µS)

Cies

(nC)

Ratio of Cgc/Cge

EAS (mJ)

IXXH50N60C3D1 
Co-pack
(TO-247)

600V/100A

2.3V

64

10

2324

42/2278

= 0.0184

200

IKW50N60H3

Co-pack
(TO-247)

600V/100A

2.3V

315

5

2960

96/2864

= 0.0335

--

В таблице приведены параметры напряжения, тока,прямого падения напряжения, заряда затвора Qg, области безопасной работы при КЗ и входная емкость транзистора Cies. Среди прочих транзисторов, данные IGBT наиболее близки также по размеру кристалла.

Очевидно, что IXXH50N60C3 демонстрирует существенно более низкий заряд затвора, что приводит к меньшим потерям переключения. Возможность повышения скорости переключения транзистора определяется способностью установить нужный уровень напряжения на затворе, обладающего собственной емкостью Cies=Cge+Cgc. Таким образом, транзистор XPT IGBT обеспечивает более высокое быстродействие.

Рисунок 2А показывает упрощенную тестовую схему для испытаний с индуктивной нагрузкой. Рисунок 3, в свою очередь, показывают осциллограммы переключения. Все тесты проводятся приодинаковых параментрах Vcc=400В, Id=50A, Vgs=15В и индуктивность L1=100 мкГн.

В таблицу 2 Сведены результаты данного теста: параметры включения и выключения IGBT при температуре 25С и 125С. Так, при температуре 25С, суммарные потери IXXH50N60C3D1 составили 1.340 мДж, в то время как IKW50N60H3 — 1.415 мДж. При температуре 125С, суммарные потери IXXH50N60C3D1 оказались равны 1.915 мДж, а  IKW50N60H3 — 2.270 мДж. В режиме жесткой коммутации с индуктивной нагрузкой потери на включение превышают потери при закрывании транзистора, даже без учета потерь на закрывание обратного диода, которые возникают в момент включения. При этом, причина потерь в момент включения объясняется присутствием MOSFET структуры. Это означает, что быстрый драйвер управления может существенно снизить потери при включении IGBT. С другой стороны, потери при закрывании IGBT определяются зарядом, накопленным в структуре, что является причиной «затягивания» dI/dt и dV/dt, а также наличием типичного для IGBT «хвоста» тока. Итоговое сравнение транзисторов по совокупности параметров включения и выключения показывает превосходство IXXH50N60C3D1.

Таблица 2: Потери при в схеме с индуктивной нагрузкой IXXH50N60C3D1 и IKW50N60C3

Параметры измерения: Rg = 5 Ohm, VCC = 400V, Ic = 50A, L1~100µH

25oC

Turn-Off Delay Time

Fall Time

Turn-On Delay Time

Rise Time

Turn-Off Energy Loss

Turn-On Energy Loss

Total Energy Loss

Part Number

Td(off)

(ns)

Tf

(ns)

Td(on)

(ns)

Tr

(ns)

Eoff

(mJ)

Eon

(mJ)

Eon+Eoff

(mJ)

IXXH50N60C3D1

68

34

28

53

0.43

0.91

1.340

IKW50N60H3

225

30

32

50

0.485

0.93

1.415

125oC

 

 

 

 

 

 

 

IXXH50N60C3D1

76

30

27

51

0.515

1.4

1.915

IKW50N60H3

242

27

30

41

0.5

1.77

2.270

Возможные применения

Выбор оптимального IGBT для конкретного приложения может занять достаточно много времени. В реальных приложениях IGBT могут испытывать перегрузки короткого замыкания или закрывания при подключенной индуктивной нагрузке. Область безопасной работы в режиме короткого замыкания SCSOA определяется областью безопасной работы при прямом токе (FBSOA) и областью безопасной работы при обратном токе RBSOA, что характерно для закрывания при индуктивной нагрузке. Способность транзистора выдерживать данные перегрузки и будет определять его надежность в конкретном проекте.

GenX3 IGBT оптимизированы с точки зрения минимизации потерь, увеличения эффективности преобразования и способны уменьшить размер применяемого радиатора и увеличить плотность компоновки готового изделия. Возможные области их применения- источники бесперебойного питания UPS, частотный электропривод, инверторы напряжения DC-AC,сварочное оборудование, альтернативные источники элетроэнергии, промышленные системы электрического питания, медицинская техника, DC-DC преобразователи, корректоры коэффициента мощности и источники питания для осветительных приборов.

Транзисторы GenX3 IGBT предлагаются в двух версиях (B и С), оптимизированных для частот 5-30 кГц (B) и 30-60 кГц (C). Полная документация доступна на сайте www.ixys.com : вы можете ввести в строку поиска первые буквы новой серии «IXX», чтобы получить полный список всех доступных транзисторов.

Список литературы

Techniques used in DMOS IGBT construction are described in the following documentation.

  • Method of Making a Stable High Voltage Semiconductor Device US Patent # 5904544, Date of Patent: May 08, 1999

Inventors: Dr. Nathan Zommer
IXYS Corporation, Santa Clara, CA

  • Patent on Rugged IGBT Structure: Rugged and Fast Power MOSFET and IGBT US Patent # 20030067034

Inventors: Dr. Vladimir Tsukanov and Dr. Nathan Zommer
IXYS Corporation

  • The Optimal IGBT for Motor Drive Applications- Drive With XPT IGBTs, an IXYS Application Note on XPT IGBTs (this title appeared on Bodo’s Power, Europe)

Application Note # IXAN0070 (visit www.ixys.com and navigate to IXYS DivisionIXYS Power  → Application Notes by Topics in the Technical Resources section)

  • XYS Technical Paper on XPT IGBTs: 650V XPT IGBTs in an SMPD Package

I. Imrie, E. Wysotzki, O. Zschieschang, A. Lashek-Enders
Bodo’s Power, April 20-23, 2011

  • TrenchStop-IGBT -Next Generation IGBT for Motor Drive Application

A TrenchStop-IGBT App Note by Infineon, V1.0, October 2004

A definition of terms related to IGBTs and IGBT test methods can be found here:

  • Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT) Basics

IXYS IGBT Basic Application Note # IXAN0063 (visit www.ixys.com and navigate to IXYS DivisionIXYS Power  → Application Notes by Topics in the Technical Resources section)

Статья представлена в формате