Особенности применения V-IGBT модулей

Андрей Колпаков, старший технический специалист SEMIKRON E-mail: Andrey.Kolpakov@semikron.com.ua
Андрей Гладских, бренд-менеджер SEMIKRON E-mail: skua@semikron.com.ua

Статья посвящена особенностям применения данных элементов, особое внимание уделено вопросам, вязанным с заменой силовых ключей предыдущих серий на компоненты нового поколения. Использование новых типов кристаллов IGBT в стандартных конструктивах дает возможность увеличить техническую эффективность силовых преобразовательных устройств без изменения их конструкции, улучшить динамические характеристики и обеспечить рост надежности.

Нужно бежать со всех ног, чтобы только оставаться на месте, а чтобы куда-то попасть, надо бежать как минимум вдвое быстрее! Алиса в Зазеркалье Льюис Кэрролл

Скачкообразный рост потребности мирового рынка в высококачественных модулях IGBT привел к парадоксальной для «развитого» капитализма ситуации — дефициту силовых чипов Trench 4. Чтобы не ухудшать технические характеристики выпускаемых модулей потребовалось срочно найти адекватное дополнение к Т4 и Е4. Таким успешным выходом стало использование чипов V?IGBT. Насколько успешным?
Для этого постараемся определить их «законное место» в линейке IGBT модулей с другими чипами, выпускаемыми SEMIKRON.
Основные особенности IGBT Trench 4 уже приводились в [1]. Благодаря оптимизации основных элементов вертикальной структуры чипа: n-базы, n-Field Stop слоя, предназначенного для повышения напряжения пробоя, и эмиттера достигнуто существенное улучшение характеристик кристаллов IGBT Trench 4. Обеспечить более плавный характер переключения и снизить суммарное значение потерь в широком диапазоне частот позволила модернизация Trench-технологии. С точки зрения эффективности важным достижением является увеличение допустимой рабочей температуры Tjmax кристаллов с 150 до 175 °C. Благодаря этому применение новых поколений модулей IGBT, Trench 4 и V-IGBT, позволяет увеличить запас по перегрузке в динамических режимах и повысить надежность работы преобразователей. Как отмечалось в [2], было принято решение выпускать компоненты 4-го поколения в двух версиях (Т4 и Е4), отличающихся скоростью переключения и динамическими свойствами при параллельной работе.
Может ли серия V-IGBT претендовать на 5-е поколение?

Взаимозаменяемость

Для капитана парусника, не знающего куда плыть, любой ветер попутный (или встречный)
Для большинства применений замена модулей IGBT предыдущих серий на компоненты 4-го поколения дает очевидные преимущества: снижение уровня потерь, уменьшение коммутационных перенапряжений, улучшение электромагнитной совместимости.

Существенно меньше оказывается потребляемая от драйвера мощность, так как величина заряда затвора Q_G для силовых ключей Trench 4 снижена более чем на 30%, по сравнению с SPT+, но для серии V-IGBT это снижение минимально (5%). Поэтому следует обязательно обратить внимание на возможности драйвера по I_{max av} (максимально допустимое длительное значение среднего тока на выходе драйвера, определяется в осн. возможностями источника питания собственных нужд) на частоте коммутации.
Однако для получения максимального эффекта от применения модулей новой генерации требуется некоторая адаптация схемы управления.

Eon, Eoff, Er зависимость от RG SKM300GB128D	Eon, Eoff, Er зависимость от RG SKM300GB12T4	Eon, Eoff, Er зависимость от RG SKM300GB12V

 В первую очередь рекомендуется изменить соответствующим образом резистор затвора R_G. Если, например, SKM300GB12V установить вместо SKM300GB128D (SPT-IGBT), то величина RG должна быть уменьшена с 5 до 1,0 Ом.

Зависимость энергии включения от Rзатвора	Зависимость энергии выключения от Rзатвора

Использование номинала, рекомендованного для SPT, приведет к увеличению потерь включения с Eon(1,0 Ом) = 13 мДж до Eon (5 Ом) = 42 мДж (рис. 2. за границами интервала).

Требования к геометрической конфигурации шин постоянного тока остаются прежними, главным из них является необходимость обеспечения минимального значения распределенной индуктивности. Для реализации этой задачи конструкция шины должна быть симметричной и копланарной, снабберные емкости должны быть установлены непосредственно на терминалы питания каждого IGBT-модуля.

Динамические показатели

Высокое значение dI/dt «это отлично» скажет один, и будет прав…
Высокое значение dI/dt недопустимо, «это плохо», скажет другой, и …тоже будет прав.
Состав спектра электромагнитных помех инвертора завит в основном от градиентов тока I_C(t) и напряжения V_CE (t),образующихся при коммутации силовых ключей. Для современных полупроводниковых модулей средней мощности достижимы скорости изменения напряжения до 10 кВ/мкс и тока — до 10 кА/мк(при комнатной температуре).
С ростом температуры характер коммутации становится плавным, и указанные значения градиентов снижаются
на 50–60 %. Параметры di/dt, dv/dt првключении могут быть определены соответствующим выбором R_G (см. табл. 2).

Зависимость между номиналом резистора затвора и градиентами тока напряжения, а также потерями включе-
ния, является практически линейной. Довольно неожиданным является тот факт,что скорость выключения Trench 4 почти не снижается с ростом сопротивленизатворакак показано на рис. 2. Параметр di/dt практически линейно зависит от тока коллектора I_C и в очень малостепени — от напряжения DC-шины.
В определенном диапазоне увеличение номинала R_G даже несколько повышает скорость выключения тока, и только при больших величинах сопротивленизатвора (>10 R_Gnom) она снова начинает спадать. Этот эффект вызван накоплением носителей заряда в базе транзистора в момент выключения: при малыx значениях R_G электроны задерживаются в базовой области IGBT, большой накопленный заряд является причиной достаточно плавного наклона характеристики выключения. При увеличении резистора затвора MOS-канал IGBT-структуры оказывается полностью закрытым в момент, когда ток начинает снижаться. При этом электронов, которые могли бы создать дополнительный ток, уже нет, а оставшееся небольшое количество дырок быстро рассасывается, что приводит к увеличению скорости выключения [3].

Коммутационные перенапряжения

Но для того, чтобы понять, куда бежит силовая электроника, необходимо на мгновение остановиться и оценить «А туда ли мы бежим?»
Распределенная паразитная индуктивность выводов L_CE непосредственно влияет на частотные свойства силового модуля и уровень перенапряжения, возникающий при выключении IGBT. От этого параметра во многом зависит надежность работы преобразователя в динамических режимах. Резкий спад тока при выключении силового модуля вызывает появление всплеска напряжения на его коллекторе. Коммутационные пики (рис. 3) добавляются к напряжению питания DC-шины, и образующийся в результате суммарный сигнал V_CE = V_DC + dV может превысить напряжения пробоя IGBT. Особенно опасным данный эффект становится при отключении тока КЗ, когда значение di/dt максимально.
Необходимо также учесть, что предельное значение V_CEmax является характеристикой кристалла, а из-за наличия внутренней индуктивности выводов L_CE напряжение на чипах в импульсных режимах всегда выше, чем на DC терминалах модуля на величину L_CE * di/dt.

Наличие распределенной индуктивности L_DC звена постоянного тока приводит к тому, что напряжение на терминалах при выключении IGBT возрастает относительно потенциала DC-шины V_DC на величину ?V, определяемую индуктивностью шины и скоростью изменения тока:
?V = L_DC * dI/dt.
В зависимости от конструкции модулей и скорости выключения эта разница может достигать 100 и более вольт. Следует отметить, что всплески напряжения образуются и при включении, что обусловлено наличием броска тока обратного восстановления оппозитных диодов. Для оценки этого эффекта в приведенной формуле dI_C/dt следует заменить на dI_rr/dt, где I_rr – ток обратного восстановления диода.Измерения, проведенные на дополнительных сигнальных выводах коллектора и эмиттера (Ex, Cx), расположенных непосредственно рядом с чипом IGBT, показали, что наибольшее значение перенапряжения dVCEmax наблюдается в следующих случаях:
• на «холодном» кристалле , при этом в зависимости от температуры чипа максимум может регистрироваться
при различных значениях резистора затвора R_G;
• при увеличении напряжения питания DC-шины;
• при увеличении тока коллектора и di/dt;
• при использовании более быстрых чипов, (в нашем случае — Т4);
• при уменьшении длительности импульса проводимости tp.
При неудачной конструкции DC-шины, большой площади токовой петли (1 см2 ? 10 нГн) суммарное перенапря-
жение способно вывести кристаллы из строя, что часто и происходит. И никакой запас (как и установка снабберных конденсаторов) тут не поможет.

Интересной особенностью технологии Trench 4 является аномальная «прямая» зависимость скорости выключения di/dt и, соответственно, коммутационных перенапряжений от сопротивления затворного резистора R_G(off). Характеристика возвращается к своему обычному виду только при достаточно больших величинах резистора затвора (> 20 Ом для модуля с номинальным током 300 А). При нормальных условиях эксплуатации это приводит к росту потерь выключения E_off, однако столь большие номиналы R_G(off) можно использовать только в режиме «плавного» отключения SSD (Soft Shut-Down) при срабатывании защиты от КЗ. Для обеспечения безопасной работы в предельных динамических режимах (особенно при отключении токов КЗ) общей рекомендацией является установка специального снабберного конденсатора на терминалах питания модуля (см.рис. 3).
Результаты теплового моделирования в программе SemiSel модулей с различными чипами, приведены на рис. 5. Эти графики показывают, какие выходные токи преобразователя частоты можно получить, построив инверторы на указанных модулях.

Рис.5 Максимальное действующее значение выходного тока инвертора

Заключение

Технология чипов Trench 4 позволила расширить область рабочих частот, увеличить плотность мощности, обеспечить бо’льший запас по перегрузкам.
Чипы V-IGBT продолжили процесс непрерывного совершенствования:
• IGBT V включаются быстрее, чем IGBT4 (di/dton) при аналогичном резисторе затвора, при этом снижаются потери включения Eon;
• при использовании большего значения Rgon можно получить аналогичное IGBT4 значение di/dton и Eon;
• поведение при выключении у чипов различного типа аналогично;
• V-IGBT и IGBT4 имеют одинаковые ограничения ОБР / SOA (Safe Operating Area);
• уровень перенапряжения при большем значении Vdc для IGBT-V ниже, чем у IGBT4;
• характеристики выключения (du/dt) зависят от резистора затвора Rgoff
• заряд затвора IGBT-V на 90 % выше, чем у IGBT4;
• V-IGBT чипы имеют свойство «самоограничения» при высоком уровне Vdc (не нормируется в специфика-
ции).

Литература
1. Винтрих А., Колпаков А. Trench 4 –универсальная технология IGBT// Силовая электроника №2, 2009.- с.40-45 .
2. Annacker R., Herzer R. IGBT4 Technology Improves Application Performance. SEMIKRON International, 2007.
3. Husken H., Frank W. Balancing losses and noise considerations for choosing the gate resistor. Nuremberg: PCIM, 2006.
4. M. Freyberg, U. Scheuermann. Measuring Thermal Resistance Of Power Modules. PCIM. 2003. No 5.

* Статья в несколько усеченном варианте была опубликована в журнале Чип-Ньюс Украина №2 /2011, -с.12-15