eng
Выпуск #5/2006
М.Рахимо, Д.Шнайдер, Р.Шнелл, С.Айхер, У.Шлапбах.
IGBT-модули HiPak на ток до 3,6 кА по технологии SPT+
IGBT-модули HiPak на ток до 3,6 кА по технологии SPT+
Просмотры: 2686
С 2006 года швейцарской компанией ABB Switzerland Ltd. Semiconductors (ABB) успешно освоен выпуск IGBT-модулей на напряжение от 1200 до 4500 В, выполненных на базе новой технологической платформы SPT+. По этой технологии также начато производство
IGBT-модулей серии HiPak1 с размером корпуса 140х130 мм. Модули с чипами SPT+ не уступают по своим коммутационным характеристикам и области безопасной работы (ОБР) современному поколению приборов на основе SPT технологии, но отличаются более низкими общими потерями и повышенной токовой нагрузкой. Статья разработчиков этих модулей, несомненно, представляет интерес для читателей журнала.
IGBT-модулей серии HiPak1 с размером корпуса 140х130 мм. Модули с чипами SPT+ не уступают по своим коммутационным характеристикам и области безопасной работы (ОБР) современному поколению приборов на основе SPT технологии, но отличаются более низкими общими потерями и повышенной токовой нагрузкой. Статья разработчиков этих модулей, несомненно, представляет интерес для читателей журнала.
ВВЕДЕНИЕ
Потребители изделий силовой электроники продолжают повышать требования к параметрам потерь, надежности и управляемости характеристик силовых приборов. Основные достоинства используемой в настоящее время для создания IGBT технологии SPT (Soft Punch Through) – обеспечение высокой надежности и мягких характеристик переключения [1]. Недавно освоенная усовершенствованная планарная технология SPT+ успешно объединила технические решения задач снижения потерь и существенного расширения ОБР [2]. Результаты, представленные в статье, показывают, что, кроме низких потерь в проводящем состоянии и коммутационных потерь, IGBT, выполненные по SPT+ технологии, характеризуются высокими уровнями стойкости к токам короткого замыкания и надежности при выключении. По уровню потерь SPT+ приборы сопоставимы с IGBT, изготовленными по траншейной технологии. В дополнение к этому, благодаря использованию хорошо зарекомендовавшей себя буферной структуры, обеспечивающей "мягкое перекрытие поля", достигаются отличная управляемость коммутационными характеристиками и мягкие характеристики выключения, которые очень важны для модулей с высокой токовой нагрузкой.
ТИПОВОЙ РЯД HiPak-МОДУЛЕЙ
Снижение общих потерь SPT+ IGBT чипов позволяет повысить токовые номиналы HiPak модулей и установить новые стандарты их эффективности и выносливости. Внедрение типового ряда IGBT, выполненных по технологии SPT+, совпадает с началом производства серии HiPak1 модулей в стандартном корпусе размером 140x130 мм. Помимо варианта корпуса размером 190x140 мм (HiPak2) с одиночным ключом и прерывателем (chopper), серия HiPak1 также представлена сдвоенными
IGBT и диодами в корпусах со стандартным и высоким
(Vизол = 10,2 кВ) уровнями напряжения изоляции.
ПЛАНАРНАЯ SPT+ ТЕХНОЛОГИЯ
Платформа следующего поколения SPT технологии была разработана с целью снижения прямого падения напряжения при сохранении низкого уровня коммутационных потерь. Такой подход потребовал тщательного компромисса между такими параметрами, как высокая стойкость к воздействию космического излучения и предсказуемая коммутация, а также сохранения высокой выносливости при выключениях, уже достигнутой SPT технологией.
Новая технологическая платформа SPT+ реализует расширенный профиль распределения носителей заряда, благодаря чему удалось сформировать исключительно надежную и выносливую конструкцию ячеек (рис.1). Эта технология позволяет существенно повысить концентрацию носителей заряда вблизи эмиттера и тем самым обеспечить более низкое, чем у SPT приборов, падение напряжения в открытом состоянии при тех же потерях на переключение. Кроме этого, объединение оптимизированной области базы с SPT буферным слоем обеспечивает, благодаря управляемому формированию обедненного слоя, плавное уменьшение тока коллектора во время переходного процесса при выключении. SPT буферный слой и оптимальная конструкция ячейки гарантируют хорошую управляемость и широкую область безопасной работы SPT+ чипа при коротком замыкании (ОКЗ).
Благодаря комбинации расширенной конструкции ячеек и концепции SPT, технологическая платформа SPT+ дала возможность ABB создать новый эталон технологической линии для всех классов напряжения. На рис.2 представлено сравнение значений падения напряжения модулей на напряжение от 1200 до 4500 В, выполненных по SPT и SPT+ технологиям. Результаты сравнения показывают, что по конфигурации профиля распределения носителей заряда оптимизированная планарная SPT+ структура соответствует траншейной структуре. Значения Vce.sat, приведенные на рис.2, получены для одинаковых значений плотности тока и потерь на выключение IGBT каждого класса. Важно понять, что снижение потерь в проводящем состоянии достигается исключительно благодаря расширению профиля распределения носителей вблизи эмиттера наряду с обеспечением той же толщины области дрейфа, что и у стандартной конструкции. Это гарантирует управляемое и "мягкое" переключение, что необходимо для модулей с высокой токовой нагрузкой. Уменьшение значения Vce.sat благодаря расширению профиля распределения носителей SPT+ ячеек в пределах от 15% для IGBT на напряжение 1200 В до 30% для IGBT на 4500 В приводит к соответствующему увеличению токового номинала.
МОДУЛИ С ВЫСОКОЙ ТОКОВОЙ НАГРУЗКОЙ
При разработке модулей на большие номиналы тока необходимо учитывать ряд проблем, связанных с конструкцией IGBT. Основная проблема создания IGBT модулей на высокие токи – обеспечение мягкого и управляемого переключения. Совокупность высоких токов и паразитных индуктивностей, как правило, приводит к перенапряжению и увеличению вероятности возникновения колебательных процессов при выключении. Накопленная индуктивная энергия EL, рассеиваемая каждым IGBT чипом, определяется как
...
где L – значение индуктивности и I – ток. Эта формула обычно используется для дискретных компонентов и компонентов на малые токи. Для модулей на высокие токи с n числом параллельно соединенных чипов (рис.3) формула определения эффективной индуктивной энергии чипа будет следующей:
...
Помимо увеличения значения эффективной индуктивности "nxL", значение индуктивности рассеяния при коммутации больших токов также несколько возрастает. Из рис.3 видно, что для больших модулей накопленная индуктивностью энергия на один-два порядка выше, чем у одного прибора. Таким образом, при корпусировании и определении назначения прибора необходимо принимать во внимание конструкцию IGBT чипа.
SPT+ HiPak МОДУЛИ НА 3600 А/1700 В
Технология SPT+, сохраняя все достоинства SPT технологии, позволяет снизить потери проводимости.
Сравнение значений плотности тока и потерь стандартного SPT и нового SPT+ HiPak модулей показало, что при одинаковых значениях Vce.sat (при номинальном токе) допустимый ток SPT+ модуля больше (см. таблицу). В результате SPT+ модуль на ток 3600 A может быть выполнен на основе чипов тех же размеров, что и SPT модуль на меньший ток, или, соответственно, существующий SPT+ модуль на 2400 A – на основе чипов, размеры которых на 30% меньше размеров чипов SPT модуля. Характерные показатели двух технологий показаны на рис.4.
СТАТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
Выходные характеристики модуля при 125°C приведены на рис.5. Падение напряжения модуля, выполненного по SPT+ технологии, в открытом состоянии при токе 3600 A составляет 2,8 В, IGBT чипа – 2,6 В. Положительный температурный коэффициент Vce.sat новых IGBT модулей подобен этому параметру предыдущих серий (рис.6), что очень важно для обеспечения хорошего токораспределения при параллельном включении.
ДИНАМИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
Для демонстрации электрических свойств SPT+ модулей на 3600 A/1700 В была проведена серия их динамических испытаний. На рис.7 и 8 представлены соответственно кривые включения и выключения при номинальных значениях напряжения и тока (900 В/3600 A) и температуре 125°C, на рис.9 – кривые обратного восстановления диода при 125°C. И IGBT, и диод модуля продемонстрировали управляемые характеристики переключения и короткий хвостовой ток. Это стало результатом применения SPT буферного слоя и модификации кремния, используемого в технологии SPT+, благодаря чему достигнуты высокие скорости коммутации, низкие уровни потерь и перенапряжений, а также высокая стойкость к электромагнитному воздействию.
ХАРАКТЕРИСТИКИ ОБР
Кривые ОБР IGBT и диода при выключении HiPak модуля на 3600 A/1700 В показаны на рис.10 и 11, соответственно. IGBT и диод испытывались при температуре 125°C и напряжении звена постоянного тока 1200 В. Ток коллектора IGBT составлял 8000 A, прямой ток диода – 7200 A. Из приведенных кривых следует, что при выключении перенапряжение на IGBT благодаря самоограничению не превышало 2000 В.
Результаты испытаний ОКЗ при 125°C и напряжении звена постоянного тока 1300 В приведены на рис.12. Значение тока короткого замыкания составляло 12 кА, что вполне приемлемо для такого режима. SPT буфер и конструкция анода диода SPT+ модуля были оптимизированы таким образом, чтобы получить широкую ОКЗ даже при напряжении затвора, превышающем стандартное значение 15 В. ОКЗ, полученная в результате испытаний, свидетельствует о высокой выносливости прибора в режиме короткого замыкания.
ЧАСТОТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ МОДУЛЯ НА 1700 В С SPT+ ЧИПАМИ
Для достижения максимально возможного выходного тока SPT+ модулей на 1700 В были смоделированы их частотные характеристики. Кривые зависимости выходного тока преобразователя c модулями HiPak SPT и SPT+ на 1700 В (рис.13) демонстрируют явное увеличение выходной токовой нагрузки для SPT+ модуля во всем диапазоне частот переключений. Для SPT+ IGBT выходной ток может быть увеличен примерно на 10–20% в диапазоне частот коммутации от 250 до 1000 Гц при традиционном водяном охлаждении.
ВЫВОДЫ
В сравнении с SPT технологией SPT+ позволяет на 15–30% снизить потери IGBT-модуля в открытом состоянии и поддержать уровень потерь при выключении примерно на том же уровне. Кроме того, SPT+ технология сопоставима с SPT по степени выносливости при коммутации и при коротких замыканиях. Электрические характеристики модуля HiPak на 1700 В подтвердили заявленные компанией АВВ свойства нового поколения SPT+ приборов. Предложенный номенклатурный ряд приборов SPT+ HiPak предоставляет системным разработчикам большую свободу при реализации систем высокой мощности и эффективности. Компания АВВ планирует осенью 2006 года начать поставки SPT+ HiPak-модулей в классах напряжения 1200–4500 В. Помимо IGBT класса 1700 В начаты опытные поставки модуля на напряжение 3300 В и ток 1500 А. Во втором полугодии изделия этого класса поступят на рынок вслед за классом 4500 В, и с этого момента фактически начнется реализация всего номенклатурного ряда IGBT серии HiPak1.
Материал подготовлен А.Чекмаревым (ЦПМК РУСТЭЛ)
с согласия компании ABB Switzerland Ltd Semiconductors
Литература
1. M. Rahimo et al. 2.5kV–6.5kV Industry Standard IGBT Modules Setting a New Benchmark in SOA Capability. –
Proc. PCIM'04, NURNBERG, GERMANY, 2004, p.314–319.
2. M. Rahimo et al. SPT+, The Next Generation of Low-Loss
HV-IGBTs.– Proc. PCIM'05, NURNBERG, GERMANY, 2004, p.361–366.
Потребители изделий силовой электроники продолжают повышать требования к параметрам потерь, надежности и управляемости характеристик силовых приборов. Основные достоинства используемой в настоящее время для создания IGBT технологии SPT (Soft Punch Through) – обеспечение высокой надежности и мягких характеристик переключения [1]. Недавно освоенная усовершенствованная планарная технология SPT+ успешно объединила технические решения задач снижения потерь и существенного расширения ОБР [2]. Результаты, представленные в статье, показывают, что, кроме низких потерь в проводящем состоянии и коммутационных потерь, IGBT, выполненные по SPT+ технологии, характеризуются высокими уровнями стойкости к токам короткого замыкания и надежности при выключении. По уровню потерь SPT+ приборы сопоставимы с IGBT, изготовленными по траншейной технологии. В дополнение к этому, благодаря использованию хорошо зарекомендовавшей себя буферной структуры, обеспечивающей "мягкое перекрытие поля", достигаются отличная управляемость коммутационными характеристиками и мягкие характеристики выключения, которые очень важны для модулей с высокой токовой нагрузкой.
ТИПОВОЙ РЯД HiPak-МОДУЛЕЙ
Снижение общих потерь SPT+ IGBT чипов позволяет повысить токовые номиналы HiPak модулей и установить новые стандарты их эффективности и выносливости. Внедрение типового ряда IGBT, выполненных по технологии SPT+, совпадает с началом производства серии HiPak1 модулей в стандартном корпусе размером 140x130 мм. Помимо варианта корпуса размером 190x140 мм (HiPak2) с одиночным ключом и прерывателем (chopper), серия HiPak1 также представлена сдвоенными
IGBT и диодами в корпусах со стандартным и высоким
(Vизол = 10,2 кВ) уровнями напряжения изоляции.
ПЛАНАРНАЯ SPT+ ТЕХНОЛОГИЯ
Платформа следующего поколения SPT технологии была разработана с целью снижения прямого падения напряжения при сохранении низкого уровня коммутационных потерь. Такой подход потребовал тщательного компромисса между такими параметрами, как высокая стойкость к воздействию космического излучения и предсказуемая коммутация, а также сохранения высокой выносливости при выключениях, уже достигнутой SPT технологией.
Новая технологическая платформа SPT+ реализует расширенный профиль распределения носителей заряда, благодаря чему удалось сформировать исключительно надежную и выносливую конструкцию ячеек (рис.1). Эта технология позволяет существенно повысить концентрацию носителей заряда вблизи эмиттера и тем самым обеспечить более низкое, чем у SPT приборов, падение напряжения в открытом состоянии при тех же потерях на переключение. Кроме этого, объединение оптимизированной области базы с SPT буферным слоем обеспечивает, благодаря управляемому формированию обедненного слоя, плавное уменьшение тока коллектора во время переходного процесса при выключении. SPT буферный слой и оптимальная конструкция ячейки гарантируют хорошую управляемость и широкую область безопасной работы SPT+ чипа при коротком замыкании (ОКЗ).
Благодаря комбинации расширенной конструкции ячеек и концепции SPT, технологическая платформа SPT+ дала возможность ABB создать новый эталон технологической линии для всех классов напряжения. На рис.2 представлено сравнение значений падения напряжения модулей на напряжение от 1200 до 4500 В, выполненных по SPT и SPT+ технологиям. Результаты сравнения показывают, что по конфигурации профиля распределения носителей заряда оптимизированная планарная SPT+ структура соответствует траншейной структуре. Значения Vce.sat, приведенные на рис.2, получены для одинаковых значений плотности тока и потерь на выключение IGBT каждого класса. Важно понять, что снижение потерь в проводящем состоянии достигается исключительно благодаря расширению профиля распределения носителей вблизи эмиттера наряду с обеспечением той же толщины области дрейфа, что и у стандартной конструкции. Это гарантирует управляемое и "мягкое" переключение, что необходимо для модулей с высокой токовой нагрузкой. Уменьшение значения Vce.sat благодаря расширению профиля распределения носителей SPT+ ячеек в пределах от 15% для IGBT на напряжение 1200 В до 30% для IGBT на 4500 В приводит к соответствующему увеличению токового номинала.
МОДУЛИ С ВЫСОКОЙ ТОКОВОЙ НАГРУЗКОЙ
При разработке модулей на большие номиналы тока необходимо учитывать ряд проблем, связанных с конструкцией IGBT. Основная проблема создания IGBT модулей на высокие токи – обеспечение мягкого и управляемого переключения. Совокупность высоких токов и паразитных индуктивностей, как правило, приводит к перенапряжению и увеличению вероятности возникновения колебательных процессов при выключении. Накопленная индуктивная энергия EL, рассеиваемая каждым IGBT чипом, определяется как
...
где L – значение индуктивности и I – ток. Эта формула обычно используется для дискретных компонентов и компонентов на малые токи. Для модулей на высокие токи с n числом параллельно соединенных чипов (рис.3) формула определения эффективной индуктивной энергии чипа будет следующей:
...
Помимо увеличения значения эффективной индуктивности "nxL", значение индуктивности рассеяния при коммутации больших токов также несколько возрастает. Из рис.3 видно, что для больших модулей накопленная индуктивностью энергия на один-два порядка выше, чем у одного прибора. Таким образом, при корпусировании и определении назначения прибора необходимо принимать во внимание конструкцию IGBT чипа.
SPT+ HiPak МОДУЛИ НА 3600 А/1700 В
Технология SPT+, сохраняя все достоинства SPT технологии, позволяет снизить потери проводимости.
Сравнение значений плотности тока и потерь стандартного SPT и нового SPT+ HiPak модулей показало, что при одинаковых значениях Vce.sat (при номинальном токе) допустимый ток SPT+ модуля больше (см. таблицу). В результате SPT+ модуль на ток 3600 A может быть выполнен на основе чипов тех же размеров, что и SPT модуль на меньший ток, или, соответственно, существующий SPT+ модуль на 2400 A – на основе чипов, размеры которых на 30% меньше размеров чипов SPT модуля. Характерные показатели двух технологий показаны на рис.4.
СТАТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
Выходные характеристики модуля при 125°C приведены на рис.5. Падение напряжения модуля, выполненного по SPT+ технологии, в открытом состоянии при токе 3600 A составляет 2,8 В, IGBT чипа – 2,6 В. Положительный температурный коэффициент Vce.sat новых IGBT модулей подобен этому параметру предыдущих серий (рис.6), что очень важно для обеспечения хорошего токораспределения при параллельном включении.
ДИНАМИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
Для демонстрации электрических свойств SPT+ модулей на 3600 A/1700 В была проведена серия их динамических испытаний. На рис.7 и 8 представлены соответственно кривые включения и выключения при номинальных значениях напряжения и тока (900 В/3600 A) и температуре 125°C, на рис.9 – кривые обратного восстановления диода при 125°C. И IGBT, и диод модуля продемонстрировали управляемые характеристики переключения и короткий хвостовой ток. Это стало результатом применения SPT буферного слоя и модификации кремния, используемого в технологии SPT+, благодаря чему достигнуты высокие скорости коммутации, низкие уровни потерь и перенапряжений, а также высокая стойкость к электромагнитному воздействию.
ХАРАКТЕРИСТИКИ ОБР
Кривые ОБР IGBT и диода при выключении HiPak модуля на 3600 A/1700 В показаны на рис.10 и 11, соответственно. IGBT и диод испытывались при температуре 125°C и напряжении звена постоянного тока 1200 В. Ток коллектора IGBT составлял 8000 A, прямой ток диода – 7200 A. Из приведенных кривых следует, что при выключении перенапряжение на IGBT благодаря самоограничению не превышало 2000 В.
Результаты испытаний ОКЗ при 125°C и напряжении звена постоянного тока 1300 В приведены на рис.12. Значение тока короткого замыкания составляло 12 кА, что вполне приемлемо для такого режима. SPT буфер и конструкция анода диода SPT+ модуля были оптимизированы таким образом, чтобы получить широкую ОКЗ даже при напряжении затвора, превышающем стандартное значение 15 В. ОКЗ, полученная в результате испытаний, свидетельствует о высокой выносливости прибора в режиме короткого замыкания.
ЧАСТОТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ МОДУЛЯ НА 1700 В С SPT+ ЧИПАМИ
Для достижения максимально возможного выходного тока SPT+ модулей на 1700 В были смоделированы их частотные характеристики. Кривые зависимости выходного тока преобразователя c модулями HiPak SPT и SPT+ на 1700 В (рис.13) демонстрируют явное увеличение выходной токовой нагрузки для SPT+ модуля во всем диапазоне частот переключений. Для SPT+ IGBT выходной ток может быть увеличен примерно на 10–20% в диапазоне частот коммутации от 250 до 1000 Гц при традиционном водяном охлаждении.
ВЫВОДЫ
В сравнении с SPT технологией SPT+ позволяет на 15–30% снизить потери IGBT-модуля в открытом состоянии и поддержать уровень потерь при выключении примерно на том же уровне. Кроме того, SPT+ технология сопоставима с SPT по степени выносливости при коммутации и при коротких замыканиях. Электрические характеристики модуля HiPak на 1700 В подтвердили заявленные компанией АВВ свойства нового поколения SPT+ приборов. Предложенный номенклатурный ряд приборов SPT+ HiPak предоставляет системным разработчикам большую свободу при реализации систем высокой мощности и эффективности. Компания АВВ планирует осенью 2006 года начать поставки SPT+ HiPak-модулей в классах напряжения 1200–4500 В. Помимо IGBT класса 1700 В начаты опытные поставки модуля на напряжение 3300 В и ток 1500 А. Во втором полугодии изделия этого класса поступят на рынок вслед за классом 4500 В, и с этого момента фактически начнется реализация всего номенклатурного ряда IGBT серии HiPak1.
Материал подготовлен А.Чекмаревым (ЦПМК РУСТЭЛ)
с согласия компании ABB Switzerland Ltd Semiconductors
Литература
1. M. Rahimo et al. 2.5kV–6.5kV Industry Standard IGBT Modules Setting a New Benchmark in SOA Capability. –
Proc. PCIM'04, NURNBERG, GERMANY, 2004, p.314–319.
2. M. Rahimo et al. SPT+, The Next Generation of Low-Loss
HV-IGBTs.– Proc. PCIM'05, NURNBERG, GERMANY, 2004, p.361–366.
Отзывы читателей
