Tranzystory IGBT nowej generacji

Tranzystory IGBT nowej generacji – niskie poziomy indukcyjności, małe straty i miękkie przełączanie – preludium do wysokonapięciowych półprzewodników z szerokim pasmem zabronionym.

HITACHI dostrzegając aktualne potrzeby rynku wprowadza tranzystory IGBT nowej generacji w obudowie nHPD2 o niższych stratach mocy, niższej indukcyjności oraz wartościach EMI, torując jednocześnie drogę dla technologii półprzewodników WBG. Zastosowanie niskoindukcyjnych obudów dla półprzewodników mocy to pierwszy krok w kierunku efektywnego wykorzystania technologii WBG (od angielskiego Wide Band Gap – akronim określający grupę materiałów półprzewodnikowych o paśmie zabronionym szerszym od pasma krzemu np. węglik krzemu). Niestety zmniejszenie indukcyjności wewnętrznej modułów przy zastosowaniu standardowych struktur IGBT rodzi nowe wyzwania dla projektantów przekształtników (np. obniżanie strat łączeniowych przy zachowaniu niskiego dV/dt). Nowa generacja IGBT firmy Hitachi w połączeniu z obudową nHPD2 to rozwiązanie zapewniające niskie wartości Ls, niskie straty łączeniowe oraz akceptowalny poziom dV/dt. Rozwiązanie to stanowi doskonały pomost pomiędzy standardowymi elementami krzemowymi a półprzewodnikami WBG.

Wstęp

Półprzewodniki o szerokim paśmie zabronionym oferują bardzo niskie straty łączeniowe, ale w aplikacjach napędowych oscylacje łączeniowe stanowią istotny problem. Zmniejszenie częstotliwości łączeniowej ogranicza oscylacje, ale jednocześnie eliminuje korzyści stosowania WBG. Redukcja wewnętrznej indukcyjności modułu to efektywne rozwiązanie eliminacji oscylacji. Rozwiązanie to zostało zaimplementowane w obudowach nHPD2 dla modułów mocy Hitachi (Rysunek 1). Dzięki konfiguracji półmostka oraz zoptymalizowanej strukturze terminali indukcyjność wewnętrzna została zredukowana o 75% w stosunku do standardowych obudów i nie przekracza 10nH. W wyniku stosowania obudowy o niskiej wartości indukcyjności wewnętrznej ze standardowymi strukturami IGBT ograniczamy przepięcia podczas wyłączania, ale powiększamy straty mocy ze względu na wyższe napięcie występujące na zaciskach modułu podczas przełączania. Korzyści, które mogłyby kompensować większe straty mocy, takie jak praca z wyższą częstotliwością są iluzoryczne i prowadzą do powiększenia dV/dt, co negatywnie wpływa na izolację uzwojeń silników oraz kompatybilność elektromagnetyczną (EMC). W związku z powyższym zachodzi potrzeba opracowania nowej generacji IGBT dostosowanych do niskoindukcyjnych obudów.

Rysunek 1. Moduł nHPD2, schemat oraz struktura wyprowadzeń.

Redukcja Cres dla niższego Eon

Na Rysunku 2 zostały zaprezentowane uproszczone przebiegi załączania tranzystora i odzyskiwania właściwości zaporowych diody zwrotnej dla konwencjonalnego modułu oraz modułu nHPD2. W przykładzie możemy zaobserwować, że podczas załączania modułu nHPD2 niska indukcyjność wewnętrzna skutkuje wyższym napięciem Vce=Vce2. Napięcie to jest znacznie wyższe w porównaniu do napięcia Vce1 dla standardowej obudowy. Podwyższone napięcie ma bezpośredni wpływ na powiększenie strat przy załączaniu modułu nHPD2. Obniżenie wartości rezystora bramkowego (Rg) złagodzi efekt powiększonych strat wyłączania IGBT, ale kosztem powiększenia stromości narastania napięcia diody zwrotnej, co może doprowadzić do uszkodzenia izolacji uzwojeń silnika oraz problemów kompatybilności elektromagnetycznej (EMC).

Tranzystor IGBT z mniejszą wartością pojemności Cres zmienia powyższą zależność i pozwala zachować niskie straty załączania (Eon) przy niskim dV/dt dla diody zwrotnej. Przy mniejszej pojemności Cres okres dla zjawiska Millera (Δt2) staje się mniejszy i straty Eon mogą zostać zredukowane bez wzrostu dV/dt czy stosowania mniejszej rezystancji Rg. Zmniejszona pojemność Cres jest głównym założeniem przy projektowaniu tranzystorów IGBT nowej generacji dedykowanych dla niskoindukcyjnych obudów.

Rysunek 2. Uproszczone przebiegi załączania tranzystora IGBT oraz odzyskiwania zdolności zaporowych diody zwrotnej.

Wyniki eksperymentalne

W tranzystorach IGBT nowej generacji od Hitachi ładunek związany z okresem Millera został zredukowany o 27%. Ten wynik znacząco poprawia zależność pomiędzy stratami na załączanie tranzystora IGBT a wartością dV/dt dla diody zwrotnej, co pokazano na rysunku 3.

Rysunek 3. Zależność strat łączeniowych oraz dV/dt diody zwrotnej.
Rysunek 4. Doświadczalne przebiegi załączania tranzystora IGBT oraz odzyskiwania zdolności zaporowych FWD.

Vce(sat) oraz Eoff – poprawa parametrów

Tranzystory IGBT nowej generacji wykazują również poprawę parametrów Vce(sat) oraz Eoff. Oba parametry zostały zredukowane o 17% (Rysunek 5).

Rysunek 5. Zestawienie parametrów Vce(sat) oraz Eoff.

Kierunek SiC

Niskoindukcyjna obudowa nHPD2 została zaprojektowana z myślą o półprzewodnikach WBG. Rysunek 6 pokazuje przebiegi przełączania modułów z diodą zwrotną z węglika krzemu (SiC FWD). Wyniki zostały porównane z tradycyjnymi modułami IGBT w standardowych obudowach oraz modułami IGBT nowej generacji w obudowie nHPD2. Tak jak można było się spodziewać zastosowanie diody SiC eliminuje w znacznym stopniu straty na odzyskiwanie zdolności zaporowych, ale w standardowej obudowie prowadzi do powstawania oscylacji. Jednocześnie na przebiegach można zauważyć, że przy zastosowaniu tranzystorów IGBT nowej generacji oraz obudów nHPD2 możemy wyeliminować oscylacje łączeniowe. Zastosowanie tranzystorów IGBT nowej generacji ze zredukowaną wartości Cres pozwala zarówno zachować niskie straty załączania, jak i niski poziom dV/dt.

Rysunek 6. Przebiegi dla modułów hybrydowych SiC.

Podsumowanie

Obudowa Hitachi nHPD2 została stworzona, aby ułatwić projektowanie urządzeń energoelektronicznych. Dzięki niej możliwe jest nie tylko zwiększenie sprawności, wydłużenie czasu życia urządzenia, czy zastosowanie modułowej budowy przekształtników, ale przede wszystkim daje możliwość przyszłego wdrożenia technologii WGB bez znaczących zmian konstrukcyjnych.

Tranzystory IGBT nowej generacji od Hitachi zostały zaprojektowane dla zastosowań w niskoindukcyjnych obudowach nHPD2 dając w rezultacie moduł o niskich stratach oraz niskim poziomie zakłóceń. Dodatkowo powyższe połączenie daje możliwość łatwego budowania przekształtników w koncepcji modułowej oraz przyszłego wdrożenia technologii wysokonapięciowych WBG takich jak węglika krzemu. Dzięki zastosowaniu niskiej pojemności Cres w opisywanych tranzystorach IGBT osiągnięto zadawalający kompromis pomiędzy stratami przełączania oraz niskim dV/dt przy obudowach niskoindukcyjnych. Z drugiej strony niska indukcyjność wewnętrzna powoduje, że obudowa nHPD2 jest idealnym rozwiązaniem dla modułów hybrydowych (SiC FWD) oraz modułów SiC MOS, a obecne rozwiązanie z IGBT nowej generacji to najkrótsza droga do wprowadzenia technologii WGB w energoelektronice.

Rysunek 7. Niskonapięciowa obudowa nHPD2 (dostępna) oraz wersja wysokonapięciowa (w opracowaniu).

Dane kontaktowe:

Chris White
Hitachi Europe Limited, Whitebrook Park, Maidenhead, SL6 8YA, United Kingdom.
Tel.: +44 (0)1628 585148 lub email nHPD2@hitachi-eu.com

Radosław Sobieski
Markel Sp. z o.o., ul. Okulickiego 7/9, 05-500 Piaseczno, Polska
Tel.: +48 (22) 428 10 29 lub email markel@markel.pl

Zobacz również

Bezpieczniki szybkie do ochrony komponentów półprzewodnikowych

Rafał Piętka 15 stycznia 2020

Wraz z gwałtownym rozwojem energoelektroniki zapoczątkowanym w latach 50-tych ubiegłego wieku, nastąpił rozwój różnych odmian półprzewodnikowych przyrządów mocy. Elementy te (np. diody, tyrystory, tranzystory mocy) cechują…

Struktura półprzewodnikowa Side Wall Gate

Radosław Sobieski 07 stycznia 2020

Struktura półprzewodnikowa Side Wall Gate – następca technologii Trench Nowa struktura krzemowa tranzystorów nazwana Side Wall Gate charakteryzuje się doskonałymi parametrami przekraczającymi barierę wyznaczaną dotychczas przez…

Kondensatory energoelektroniczne nowej generacji

Radosław Sobieski 03 stycznia 2020

Kondensatory energoelektroniczne nowej generacji – podwyższone parametry użytkowe dzięki zastosowaniu nowoczesnych materiałów oraz technologii. Jeden z największych producentów kondensatorów – firma Ducati  Energia wprowadza systematycznie na…