Trench IGBT компании International Rectifier


В статье рассмотрены особенности нового поколения IGBTтранзисторов компании International Rectifier, предназначенных для использования в массовом промышленном электроприводе и приводе бытовой техники мощностью до нескольких киловатт. Благодаря высокой эффективности и высокому соотношению эффективность/цена новое поколение транзисторов способствует решению многих технических и экономических проблем при производстве привода малой мощности и импульсных [[источников питания]].

С появления несколько лет назад Trench IGBT на рынке их производство было освоено несколькими крупнейшими производителями силовых полупроводниковых приборов.
В настоящее время транзисторы этого типа применяются при производстве как дискретных полупроводниковых приборов в стандартных корпусах, так и силовых модулей.
Привлекательность данных транзисторов для потребителей обусловлена двумя факторами — более низкими потерями проводимости и меньшим размером кристаллов. Первый из этих факторов является решающим при производстве силовых модулей, используемых в электроприводах малой и средней мощности.
Компактность кристалла определяет в значительной мере цену дискретного IGBT в стандартном корпусе. Поэтому этот фактор является первостепенным для производителей импульсных источников питания промышленного и бытового применения.
Компания International Rectifier до последнего времени не производила Trench IGBT, несмотря на то, что разработка семейства приборов этого типа была завершена четыре года назад. Причина пересмотра политики компании в этой области состоит в быстром увеличении емкости рынка инверторного электропривода промышленного и бытового назначения небольшой (до нескольких киловатт) мощности и рынка импульсных источников питания для бытовой техники.
С ростом этих секторов рынка все более актуальной становится потребность в IGBT, сочетающих в себе высокую эффективность с низкой рыночной ценой. Ответом на эту потребность стали IGBT шестого поколения производства IR.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА TRENCH IGBT IR

Основные отличия в характеристиках транзисторов нового и предыдущих поколений обусловлены коренным различием в структуре кристалла (см. рис. 1).

Чтобы увидеть увеличенное изображение, кликните на картинку

Четвертое поколение транзисторов IR относится к типу PT (Punch Through) IGBT, производится на толстых пластинах и имеет планарный затвор. При производстве пятого поколения IGBT используется NPT- (Non Punch Through) технология с планарным затвором. Благодаря уменьшению толщины пластины до 87 мкм и применению новой технологии у этого поколения существенно снижены потери на переключение и улучшены тепловые характеристики.
Новые IGBT шестого поколения относятся к типу DS (Depletion Stop) Trench IGBT. Кристалл такого транзистора содержит вертикально расположенный затвор и блокирующий носители слой (depletion stop).
Лучшие тепловые характеристики транзисторов этого типа достигаются за счет уменьшения толщины (70 мкм) пластин. Благодаря применению технологии Trench затвор расположен вертикально, что способствует существенному снижению площади ячейки.
У транзисторов шестого поколения площадь ячейки уменьшена по сравнению с предыдущими поколениями на 40%. Благодаря этому кристалл становится более компактным или существенно возрастает ток транзистора при равноценной площади кристалла.
У вертикального затвора, в отличие от планарного, отсутствуют горизонтальные участки протекания тока. Ток течет к коллектору по кратчайшему пути, что обеспечивает снижение потерь на проводимость.
В этом отношении транзисторы IR схожи со своими аналогами. Отличие же состоит в том, что IR уделила основное внимание не снижению потерь проводимости, а комплексной эффективности транзистора при работе в широком диапазоне частот ШИМ. Поэтому новые транзисторы более полно отвечают современным требованиям. Актуальными требованиями (помимо снижения цены и уровня потерь) для современной преобразовательной промышленной и бытовой техники стали возможность работы на ультразвуковых частотах ШИМ для снижения уровня аудиошумов и повышения компактности и более жесткие ограничения мощности генерируемых помех.

Отличия транзисторов нового и предыдущих поколений IR более подробно рассмотрены ниже.

Минимальные потери на проводимость.
Преимущество новой технологии по падению напряжения на транзисторе в открытом состоянии демонстрируют графики, приведенные на рисунке 2.

Чтобы увидеть увеличенное изображение, кликните на картинку

Во всем диапазоне токов коллектора Trench IGBT поколения 6 имеют более низкое падение напряжения.
Наибольшее преимущество новые транзисторы демонстрируют по сравнению с NPT IGBT поколения 5 (G5 NPT), особенно при высокой токовой загрузке, характерной при применении IGBT. Они также превосходят по этому показателю транзисторы поколения 4 всех частотных диапазонов — от «быстрых» до «ультрабыстрых» (G4 F-G4 U). Благодаря этому транзисторы поколения 6 обеспечивают минимальные потери на проводимость среди транзисторов, производимых компанией. Это позволяет рекомендовать их в качестве альтернативных, более эффективных приборов при разработке новых или модернизации существующих устройств преобразовательной техники для приложений, где потери на проводимость являются превалирующим фактором.

Минимальные потери на переключение. Вследствие расширения диапазона рабочих частот ШИМ учет потерь на переключение в транзисторах при проектировании современных импульсных источников питания и электропривода играет не меньшую роль, чем учет потерь на проводимость.
До последнего времени предлагаемые на рынке Trench IGBT по данному показателю уступали NPT IGBT. Благодаря этому NPT IGBT производства IR в ряде случаев превосходили Trench IGBT других производителей не только по потерям переключения, но и по суммарной мощности потерь. Поэтому при разработке собственной технологии производства Trench IGBT компания уделила самое серьезное внимание обеспечению преимущества транзисторам нового поколения и в этой области. Новые транзисторы разрабатывались таким образом, чтобы они получили превосходство перед своими предшественниками по всем составляющим потерь на переключение. На рисунке 3 приведены графики зависимости энергии включения транзисторов от тока коллектора. Как следует из них, транзисторы поколения 6 имеют более низкую (до 25%) энергию включения, чем PT IGBT поколения 4 и NPT IGBT поколения 5 во всем диапазоне токов коллектора.
Гораздо более весомый вклад в баланс потерь на переключение вносит процесс выключения IGBT вследствие наличия так называемого «хвоста», который обеспечивает основную долю потерь при выключении. За счет его укорочения в NPT IGBT поколения 5 удалось снизить уровень потерь при выключении в 2 — 4 раза по сравнению с PT IGBT поколения 4. На базе поколения 5 было создано семейство WARP 2 так называемых «бесхвостых» NPT IGBT, адаптированных для применения в импульсных источниках питания и равноценных или превосходящих многие типы силовых полевых транзисторов по эффективности.
У новых Trench IGBT удалось еще более укоротить длину «хвоста» и сделать траекторию переключения более плавной, чем у NPT IGBT, что благоприятно сказалось на

Чтобы увидеть увеличенное изображение, кликните на картинку

снижении потерь энергии при выключении, которые стали ниже на 10 — 20%, чем у NPT IGBT (см. рис. 4).

Наивысшая эффективность.
При создании новых транзисторов разработчики постоянно балансируют между уровнем потерь на проводимость и переключение. В результате этого появляются приборы, у которых улучшена какая-либо из этих характеристик, при этом оценка общей эффективности неоднозначна.
Критерием того, насколько удачной оказалась новая разработка IGBT, является суммарная мощность потерь.
Иллюстрацией к этому могут служить графики, устанавливающие зависимость между падением напряжения на транзисторе и энергией выключения (см. рис. 5).

Чтобы увидеть увеличенное изображение, кликните на картинку

Снижение потерь энергии при выключении у NPT IGBT (G5 NPT) при несколько более низком падении напряжения по сравнению с транзисторами поколения 4, устойчивыми к короткому замыканию (линия G4K — G4M), позволило получить приборы с более высоким КПД. Однако они так и не превзошли по эффективности транзисторы поколения 4, не нормированные по режиму короткого замыкания (линия G4W — G4S). Trench IGBT поколения 6 с самого начала проектировались с целью достижения уверенного превосходства по эффективности по отношению ко всем транзисторам предыдущих поколений. С их появлением отпадает необходимость применять широкую номенклатуру транзисторов различных частотных диапазонов, оптимизированных для узкоспециализированных задач, то есть новые транзисторы являются универсальным средством решения широкого круга проблем.

Низкий уровень генерируемых помех. Жесткие современные ограничения на мощность помех, генерируемых преобразовательными устройствами, делают этот показатель одним из самых актуальных. Низкий уровень излучаемых помех позволяет применять менее дорогие и более компактные сетевые фильтры, то есть понизить стоимость изделия.
Уровень излучаемых помех определяется плавностью изменения тока в режиме выключения на «хвостовом»

Чтобы увидеть увеличенное изображение, кликните на картинку

участке (красные графики на рис. 6).
У новых транзисторов (G6 IRGB4056D) изменение тока на конечном участке происходит более плавно, чем у NPT IGBT (G5 IRGB15B60KD1) и даже чем у PT IGBT (G4 IRG4BC30UD), что свидетельствует о более низкой мощности помех. Измерения мощности помех специализированными приборами подтвердили этот факт.

Максимальный располагаемый ток. Поскольку Trench IGBT имеют существенно более компактную ячейку и меньший уровень потерь, нагрузочная способность по току кристалла с равноценной кристаллам с планарными затворами площадью может быть выше до 40%. Оценка значений постоянного Id и среднеквадратического Iскз токов коллектора транзисторов в корпусе ТО-220 показывает, что если у «быстрого» транзистора поколения 4 IRG4BC30FD они составляют 17 и 6,5 А соответственно, у «ультрабыстрого» транзистора IRG4BC30UD — 12 и 7,4 А; у NPT IGBT IRGB15B60KD — 15 и 9,3 А, то у Trench IGBT IRGB4062D — уже 24 и 11,4 А, то есть Trench IGBT имеют преимущество по нагрузочной способности по любому критерию (оценка среднеквадратического тока произведена при напряжении шины постоянного тока 400 В, температурах кристалла и теплоотвода 150 и 100°С соответственно, частоте и скважности ШИМ 6 кГц и 50% и коэффициенте мощности 0,8). Графики среднеквадратического тока в зависимости от частоты ШИМ на рисунке 7

Чтобы увидеть увеличенное изображение, кликните на картинку

иллюстрируют преимущество новых транзисторов во всем диапазоне частот.
Высокая токовая отдача Trench IGBT предоставляет и альтернативную возможность — упаковку кристаллов с той же токовой нагрузкой, что и у кристаллов предыдущих поколений IGBT, в более компактные и менее дорогие корпуса транзисторов.
Экономическая выгода при этом обеспечивается и за счет удешевления транзисторов и за счет снижения площади инвертора.

Минимальные потери в инверторе в широком диапазоне частот.
Для разработчиков преобразовательной техники больший интерес представляет то, как все перечисленные преимущества реализуются в приросте эффективности инвертора.
Графики потерь мощности в трехфазном инверторе в зависимости от частоты ШИМ на рисунке 8 показывают, что новые транзисторы уверенно повышают эффективность инвертора на 11—15% в используемом в электроприводе диапазоне частот ШИМ.

Чтобы увидеть увеличенное изображение, кликните на картинку

Структура мощности потерь инвертора электропривода (см. рис. 9) указывает на то, что c Trench IGBT могут конкурировать только «быстрые» IGBT поколения 4, но только на стандартной промышленной частоте ШИМ (4 кГц и ниже) и только по потерям на проводимость.

Чтобы увидеть увеличенное изображение, кликните на картинку


При этом они проигрывают по балансу потерь мощности за счет более высоких потерь на переключение.

Устойчивость к паразитному переключению. Испытания транзисторов на устойчивость к ложным переключениям показали, что паразитного включения Trench IGBT не происходит при скорости нарастания напряжения (dV/dt) 6…10 кВ/мкс в зависимости от тока коллектора, что выше, чем у NPT IGBT (4…8 кВ/мкс), но несколько уступает PT IGBT поколения 4 (10…15 кВ/мкс). При испытании полумостовых схем с PT и Trench IGBT не было зафиксировано случаев возникновения сквозных токов в стойке при dV/dt до 10 кВ/мкс, а у NPT IGBT фиксировались случаи нерегулярного возникновения сквозных токов при dV/dt от 6 до 10 кВ/мкс.
Аналогично новые транзисторы занимают промежуточное положение по устойчивости к паразитному выключению вследствие высокой скорости изменения тока (dI/dt). Для Trench IGBT граничная величина dI/dt равна 650 А/мкс, что близко к PT IGBT (700 А/мкс) и выше чем у NPT IGBT (350 А/мкс). Таким образом, новые транзисторы близки по устойчивости к паразитному переключению к транзисторам поколения 4 и превосходят транзисторы поколения 5.
Еще одной важной особенностью IGBT является чувствительность к минимальной длительности импульса отпирания. Trench IGBT, как и PT IGBT поколения 4, способны полностью переключиться при длительности управляющего импульса короче 1 мкс. Для уверенного переключения NPT IGBT требуются импульсы длительностью более 1 мкс.

Особенности нормирования режима короткого замыкания.
Сравнительная оценка поведения транзисторов в режиме короткого замыкания проводилась для двух случаев, когда транзистор переключается в режиме короткого замыкания и когда режим короткого замыкания возникает в нагрузке при открытом транзисторе. В первом случае было установлено, что Trench IGBT способны выдерживать режим короткого замыкания в течение до 5 мкс (что меньше 10 мкс у PT и NPT IGBT) и демонстрируют более высокий ток короткого замыкания. По этой причине новые транзисторы нормируются на устойчивость к короткому замыканию в течение 5 мкс при кратности тока короткого замыкания по отношению к номинальному 4 вместо 10 мкс и 10 у транзисторов поколений 4 и 5. Во втором случае были отмечены низкий пиковый ток короткого замыкания, что является следствием отсутствия перезаряда затвора, и чрезвычайно низкий «хвостовой» ток короткого замыкания, что свидетельствует о высокой надежности.

НОМЕНКЛАТУРА TRENCH IGBT IR И РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ЗАМЕНЕ ТРАНЗИСТОРОВ ПРЕДЫДУЩИХ ПОКОЛЕНИЙ

Семейство DS Trench IGBT производства IR (поколения 6) предлагается в настоящее время в виде кристаллов и в корпусах ТО-220 и ТО-247.
Характеристики транзисторов специфицированы при температурах кристалла вплоть до 175°С. Транзисторы нормированы на максимальное напряжение «коллектор–эмиттер» 600 В и выпускаются для диапазона токов коллектора Ic от 4 до 48 А при температуре корпуса 100°С. Транзисторы специфицированы на устойчивость к короткому замыканию в течение 5 мкс. Все корпусированные приборы выполнены по схеме Co-Pack (имеют встроенный антипараллельный ультрабыстрый диод). Новые транзисторы отличает низкая полная энергия потерь E ts и низкое падение напряжения. Пороговое напряжение отпирания затвора находится в диапазоне 4…6,5 В. Все транзисторы выпускаются в бессвинцовом исполнении.
Краткие технические характеристики транзисторов приведены в таблице 1.

Чтобы увидеть увеличенное изображение, кликните на картинку


Trench IGBT поколения 6, как и NPT IGBT, имеют прямоугольную зону безопасной работы.
Антипараллельный ультрабыстрый диод специфицирован на токи, равноценные токам транзистора, что важно при использовании транзисторов в инверторах электропривода.
Благодаря более низким потерям на переключение они могут работать в более широком диапазоне частот ШИМ, чем транзисторы предыдущих поколений (до 30 кГц). С учетом этого, а также вследствие более низких потерь проводимости и лучшего баланса потерь мощности в полном диапазоне частот ШИМ Trench IGBT являются эффективной универсальной альтернативой как NPT IGBT, так и PT IGBT любого частотного диапазона — от низкочастотных до WARP. Возможные варианты замен представлены в таблице 2.

Чтобы увидеть увеличенное изображение, кликните на картинку

СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ TRENCH IGBT IR С АНАЛОГАМИ ДРУГИХ ПРОИЗВОДИТЕЛЕЙ

При проектировании нового поколения транзисторов компании IR был учтен опыт других производителей с целью создания конкурентоспособной продукции, прежде всего ведущих производителей Trench IGBT в стандартных пластмассовых корпусах — компаний Infineon и Toshiba. При предварительном анализе эффективности Trench IGBT обычно анализируют уровень потерь на проводимость.
Сравнение падения напряжения на открытых транзисторах в зависимости от тока коллектора приведено на рисунке 10.

Чтобы увидеть увеличенное изображение, кликните на картинку


Как следует из показанных графиков, транзисторы IR занимают промежуточное положение по потерям на проводимость между продукцией компаний Infineon и Toshiba. Они уступают по этому показателю транзисторам Infineon в среднем 15%, но превосходят транзисторы Toshiba почти на 50%. Однако объективную картину может дать только детальный анализ всех составляющих и баланса потерь мощности при испытаниях транзисторов в реальном устройстве в равноценных режимах.
Анализ составляющих потерь мощности на переключение приведен в таблице 3.

Чтобы увидеть увеличенное изображение, кликните на картинку


За счет большего времени задержки при включении Td и времени нарастания при включении Tr у транзисторов IR потери мощности на включение Eon примерно на 15% выше, чем у транзистора Infineon. Однако транзистор IR имеет в 2,3 раза более короткое время задержки при выключении Tdoff и, что особенно важно, на 50% более короткий «хвост» Tf, вследствие чего потери на выключение Eoff на 37% ниже. Поэтому полные потери на переключение Ets у транзисторов IR примерно на 10% меньше, чем у Infineon. По отношению к транзисторам Toshiba транзистор IR имеет преимущество как по всем составляющим потерь на переключение, так и по суммарной мощности потерь (до 30%).
Еще одной немаловажной характеристикой транзистора являются параметры затвора. От них зависят как мощность потерь на управление транзистором (то есть стоимость реализации драйвера затвора), так и опасность паразитного включения (или в конечном счете усложнение схемы драйвера и повышение его стоимости). Результаты сравнения этих параметров приведены в таблице 4.
Помимо того, что транзисторы IR имеют вдвое более низкий заряд затвора (то есть вдвое более низкую мощность управления), отношение заряда «затвор–исток» Qgs к заряду «затвор–сток» Qgd у них несоизмеримо выше. Это отношение определяет вероятность паразитного включения транзистора вследствие dV/dt. Со снижением этого отношения вероятность паразитного включения (возможного отказа схемы) возрастает. Соответственно, транзисторы IR легче и надежнее управляются. На основании приведенного анализа можно сделать вывод, что транзисторы IR являются эффективной альтернативой продукции Toshiba во всех типах приложений, а транзисторы Infinion в приложениях, где важны в первую очередь полный баланс потерь или уровень потерь на переключение.

ДАЛЬНЕЙШЕЕ РАЗВИТИЕ НОМЕНКЛАТУРЫ TRENCH IGBT И РЕКОМЕНДУЕМЫЕ ПРИЛОЖЕНИЯ

Номенклатура 600-В транзисторов будет в дальнейшем расширяться как за счет применения корпусов типа D-Pak, D2-Pak и TO-200 FullPak, так и за счет внедрения новых типономиналов кристаллов. Помимо этого, кристаллы новых транзисторов будут использованы в новом поколении силовых и интеллектуальных IGBT-модулей. Эти транзисторы предназначены прежде всего для повышения эффективности новых разработок преобразовательной техники за счет снижения потерь и системной цены.
Основными областями приложений для них являются электропривод и импульсные источники питания мощностью до нескольких киловатт. В бытовой технике нового поколения они востребованы в электроприводе компрессоров и вентиляторов кондиционеров, стиральных машин, компрессоров холодильников, в плитах и шкафах индукционного нагрева.
При модернизации серийной продукции экономический эффект достигается как за счет снижения стоимости комплектации, так и за счет упрощения и снижения стоимости конструкции блока вследствие более низких потерь мощности. В новых разработках электропривода, где предпочтение отдается реализации инвертора на базе силового интеллектуального модуля, новая технология позволяет либо получить в том же корпусе на 40% более высокий выходной ток, либо упаковать схему в гораздо более компактный корпус с более низкой стоимостью. По этим же причинам транзисторы нового семейства представляют интерес для таких промышленных приложений, как насосный привод, привод промышленных вентиляторов, установки индукционного нагрева, устройства бесперебойного питания и др.

Оставьте отзыв

Ваш емейл адрес не будет опубликован. Обязательные поля отмечены *