Подписка на новости

Опрос

Нужны ли комментарии к статьям? Комментировали бы вы?

Реклама

 

2003 №8

SEMITRANS – один в пяти лицах: силовые модули

Колпаков Андрей


Компания SEMIKRON является одним из ведущих мировых производителей, специализирующихся на разработке компонентов для изделий силовой электронной техники - электротранспорта, приводов, блоков вторичного электропитания, устройств промышленной автоматизации и энергетики, автомобильной промышленности. Основные усилия разработчиков SEMIKRON направлены на удовлетворение жесточайших требований, предъявляемых к современным силовым электронным компонентам. В первую очередь, это требования по надежности, энергосбережению и электромагнитной совместимости.

Продукция фирмы SEMIKRON насчитывает более 11000 различных наименований полупроводников в диапазоне мощности от единиц ватт до нескольких мегаватт. В номенклатуре SEMIKRON — модули IGBT, интеллектуальные модули IGBT, модули MOSFET, драйверы, тиристоры и диоды. Первый в мире изолированный модуль IGBT SEMIPACK был разработан специалистами фирмы SEMIKRON. К настоящему времени во всем мире продано более 56 млн таких модулей. SEMIKRON — единственный в мире производитель интеллектуальных силовых модулей IGBT с током до 2400 А. По основным техническим характеристикам изделия SEMIKRON превосходят ближайших конкурентов на 10–20%.

Многие изделия SEMIKRON стали промышленным стандартом благодаря своей компактности, надежности и отличным техническим характеристикам. Продукция SEMIKRON имеет высший сертификат качества QS 9000, требуемый для автомобильного производства.

Несмотря на то что компания SEMIKRON прославилась в первую очередь благодаря своим уникальным разработкам, она выпускает широкую гамму стандартных продуктов, к которым относятся и модули IGBT SEMITRANS. Однако, в отличие от многих производителей, SEMIKRON предлагает 5 вариантов технологии изготовления этих модулей, что позволяет пользователю выбрать элемент, наиболее полно удовлетворяющий его требованиям.

Характеристики модулей SEMITRANS

Модули и транзисторы IGBT ранних поколений не имели разделения по области применения, фирмы, выпускающие их, непрерывно работали над комплексным улучшением параметров, и это было оправдано. Однако в процессе развития технологии производства IGBT оказалось, что гораздо выгоднее улучшать какую-либо из характеристик, даже в ущерб остальным, и производить компоненты, предназначенные для конкретного применения. В результате появились классы транзисторов и модулей, отличающиеся, как правило, по частотным свойствам. Например, у фирмы International Rectifier, одного из идеологов специализации, таких классов было 3: Standard, Fast, UltraFast. Впоследствии в производственной программе IR появились ультрабыстрые транзисторы WARP, WARP II, а стандартные низкочастотные были сняты с производства. Перечисленные классы относятся к дискретным транзисторам IR, модули, производимые данной фирмой, имеют в настоящее время 2 модификации: Fast и Ultrafast.

Примерно такой же классификации придерживается большинство ведущих производителей. Фирма SEMIKRON предлагает пять типов модулей IGBT в стандартных конструктивах (рис. 1) с рабочим напряжением 600, 1200 и 1700 В. Среди модулей с рабочим напряжением 1200 В: серия 123 — стандартные Non Punch Through (NPT) IGBT, серия 124 — Low Loss NPT-IGBT (транзисторы с низкими потерями проводимости), серия 125 — Ultrafast NPT-IGBT (транзисторы с низкими потерями переключения), серия 126 — Trench Field-Stop (Trench-FS) IGBT (транзисторы со сверхнизкими потерями проводимости), серия 128 — Soft Punch Through (SPT) IGBT (транзисторы с оптимизированным соотношением потерь проводимости и переключения). Основная цель производства такого многообразия компонентов — обеспечение максимального количества возможных потребителей, получение минимальных потерь мощности для каждого конкретного применения.

На практике можно выделить 3 основных типа устройств, требующих оптимального соотношения определенных параметров:

  1. низкочастотные преобразователи (ветрогенераторы, конверторы для энергосистем, использующих энергию солнца, некоторые типы источников бесперебойного питания) — для этих применений главными являются потери проводимости;
  2. импульсные преобразователи частоты (привода, некоторые типы источников бесперебойного питания) — для этих применений требуются низкие потери проводимости и переключения одновременно;
  3. высокочастотные устройства (системы индукционного нагрева, сварочное оборудование, резонансные инверторы) — для этих применений определяющими являются потери переключения.

В таблице 1 приведены наиболее важные параметры, характеризующие различные типы технологий кристаллов IGBT, а на рис. 2 показаны частотные диапазоны для различных модификаций модулей SEMITRANS. Как видно из таблицы и графиков, Trench-FS-IGBT имеют минимальные потери проводимости, UltraFast NPT-IGBT — минимальные потери переключения, а SPT-IGBT — это компромиссный тип транзисторов с оптимальным сочетанием статических и динамических характеристик. Все приведенные классы транзисторов характеризуются положительным температурным коэффициентом напряжения насыщения, что позволяет использовать их параллельное соединение.

Таблица 1. Основные характеристики различных технологий производства кристаллов IGBT
VCEsat — напряжение насыщения;
Etot — общая энергия переключения;
Qg — заряд затвора;
Tj — температура кристалла;
IC — ток коллектора;
Sch — площадь кристалла.

Большое влияние на суммарное значение потерь в импульсных усилителях, особенно при индуктивном характере нагрузки, имеют потери, создаваемые антипараллельными диодами. Для снижения уровня этих потерь SEMIKRON разработал серию диодов, названных CAL (Controlled Axial Lifetime) и CAL HD (High Density). При разработке технологии CAL особое внимание уделялось обеспечению хороших характеристик проводимости, низких динамических потерь и повышению плавности кривой обратного восстановления dIrr/dt. Последняя характеристика влияет на потери выключения, уровень переходных перенапряжений и уровень EMI.

Основной особенностью диодов CAL является наличие т. н. центра рекомбинации, позволяющего регулировать время жизни носителей и влияющего таким образом на время обратного восстановления и плавность кривой восстановления. Центр рекомбинации индуцируется за счет облучения кристалла электронами высокой энергии и в процессе ионной имплантации. По параметрам проводимости и характеристикам восстановления диоды CAL являются одними из лучших в своем классе [3].

Основное преимущество диодов CAL HD по сравнению с диодами предыдущего поколения — низкое прямое падение напряжения, что иллюстрируют графики на рис. 3. Падение напряжения снижено более чем на 700 мВ при токе 100 А. Поскольку потери на диодах вносят значительный вклад в общие потери проводимости IGBT-модуля, применение диодов CAL позволяет повысить суммарную эффективность модуля.

Как видно из графиков (рис. 3), в усовершенствованных диодах снижен температурный коэффициент прямого напряжения dVF/dT. Кроме того, при токах, больших 100 А, значение dVF/dT становится положительным, что дает преимущество при параллельном соединении, когда рост температуры кристалла компенсируется снижением рассеиваемой мощности. Отрицательный температурный коэффициент может привести к разбалансу токов в предельных режимах работы. При параллельном включении диодов предыдущего поколения необходимо подбирать элементы с идентичным значением прямого напряжения.

Диоды CAL HD имеют некоторый проигрыш в динамических параметрах, что компенсируется значительным снижением прямого падения напряжения, увеличением допустимой плотности тока и предельного значения тока. Сочетание низких потерь проводимости, присущих транзисторам Trench-FS и диодам CAL HD, обеспечивает модулям серии 126 уникальные характеристики проводимости. В таблице 2 указаны типы диодов, используемые в различных модификациях IGBT. На графиках (рис. 4) приведена зависимость максимально допустимого тока от рабочей частоты для модулей, использующих различные типы транзисторов и антипараллельных диодов.

Таблица 2. Типы антипараллельных диодов, примененных в различных типах модулей IGBT

На рис. 5 приведены графики, демонстрирующие зависимость максимального выходного тока IRMS (среднеквадратичное значение) от частоты ШИМ для 3-фазного инвертора, в котором применены полумостовые модули различных производителей. Все модули имеют одинаковый конструктив и близкий размер кристалла, для сравнения взяты компоненты классов Trench и SPT SEMIKRON и Fast/Ultrafast остальных производителей. Обратите внимание, что во всем диапазоне частот модули SEMIKRON имеют большее значение предельного тока. Сравнительные характеристики этих изделий даны в таблице 3, куда добавлены также параметры модулей International Rectifier и EUPEC. В таблице 4 приведены аналоги некоторых модулей Trench и SPT SEMITRANS с рабочим напряжением 1200 В.

Таблица 3. Сравнительные характеристики модулей IGBT различных производителей (полумост, рабочее напряжение 1200 В)
IC — ток коллектора;
VCEsat — напряжение насыщения;
PD — максимальная рассеиваемая мощность;
Rthjc — тепловое сопротивление «кристалл — корпус»
Таблица 4. Аналоги модулей SEMITRANS
Примечания:
* Модули Trench SEMITRANS имеют меньшие потери при всех условиях эксплуатации;
** Модули Trench SEMITRANS имеют меньшие потери на частотах более 5 кГц.

Особенности технологии производства кристаллов IGBT

Основными параметрами, по соотношению которых определяются частотные свойства кристалла IGBT, его «специализация» являются напряжение насыщения, заряд затвора и энергия переключения. Для получения требуемых характеристик SEMIKRON использует три типа технологии — NPT, SPT, Trench-FS. На рис. 6 показаны основные отличия конструкции кристаллов IGBT, производимых по этим технологиям, а их типовые характеристики приведены в таблице 1.

Как показано на рис. 6, а, при производстве стандартных чипов NPT используется однородная диффузионная n– подложка толщиной около 200 мкм. Сверху на ней располагается структура затвора, а биполярный PNP-транзистор формируется с помощью добавления слоя p+ в основание подложки. Описанная гомогенная структура IGBT имеет очевидные достоинства, в частности, это высокая стойкость к короткому замыканию, положительный температурный коэффициент напряжения насыщения, прямоугольная область безопасной работы (RBSOA — Reverse Biased Safe Operating Area).

Транзисторы SPT содержат дополнительный буферный слой n+, расположенный между подложкой и слоем p+. Буферный слой повышает стойкость транзистора к пробою, опасность которого возрастает из-за уменьшения толщины подложки. Меньшая толщина кристалла SPT-транзистора позволяет снизить потери проводимости SPT. Структура затвора SPT-IGBT, так же как и NPT-IGBT — стандартная планарная.

Транзисторы SPT-IGBT имеют оптимизированные характеристики выключения: линейное нарастание напряжения при выключении, более плавный переходный процесс, меньшее перенапряжение, сокращенный «хвост» тока. Напомним, что «хвостом» называется остаточный ток коллектора IGBT после запирания, возникающий из-за рассасывания неосновных носителей в «биполярной» области IGBT. Энергия переключения транзисторов SPT ниже, чем у транзисторов, выполненных по стандартной NPT-технологии. Площадь кристалла и тепловые характеристики транзисторов NPT и SPT соизмеримы.

При изготовлении Trench-FS-транзисторов также используется буферный слой n+ в основании подложки (рис. 6, с). Однако у этого типа кристаллов затвор выполнен в виде глубокой канавки (trench) в теле подложки. Такая структура затвора в сочетании с модифицированной конструкцией эмиттера позволяет оптимизировать распределение носителей в области подложки. В результате напряжение насыщения транзисторов Trench-FS оказывается на 30% ниже, чем у NPT, а размер кристалла — меньше почти на 70%. Соответственно, технология Trench-FS позволяет получить большую плотность тока. «Платой» за все описанные улучшения является повышенное значение теплового сопротивления. По сравнению с SPT-IGBT, процесс изготовления Trench-FS-IGBT несколько сложнее, но это компенсируется уменьшенной площадью кристалла Trench-FS.

Технологии изготовления транзисторов SPT и Trench являются наиболее современными, имеющими очевидные преимущества перед стандартными технологиями производства IGBT. Главное их отличие состоит в том, что применение транзисторов Trench-FS-IGBT позволяет получить сверхнизкие потери проводимости, а SPT-IGBT имеют отличные динамические характеристики. Оба типа транзисторов обладают высокой стойкостью к короткому замыканию. Допустимый ток короткого замыкания для этих типов транзисторов превышает 6-кратное значение номинального тока. Кроме того, они имеют повышенное напряжение изоляции (4 кВ против 2,5 кВ для стандартных модулей).

На рис. 7 приведена зависимость максимально допустимого тока 3-фазного инвертора от частоты ШИМ для разного типа кристаллов IGBT. Условия эксплуатации и тепловые режимы, при которых были сделаны расчеты тока, также приведены на рисунке. Вычисления и построение графиков производились с помощью программы SEMISEL, разработанной специалистами SEMIKRON [4].

Оптимизация распределенных параметров модулей SEMITRANS

Импульсные процессы, происходящие в мощных преобразователях, неизбежно приводят к возникновению высокочастотных шумов и помех. Частотный диапазон генерируемых шумов простирается от несущей частоты ШИМ (как правило, 10 кГц) до радиочастот (до 30 МГц). Низкочастотные помехи проникают в питающую сеть, высокочастотные составляющие создают мощные радиопомехи. Сетевые помехи обычно характеризуются дискретными гармониками на частотах примерно до 2 кГц. Гармонические составляющие с частотами выше 10 кГц называются радиопомехами, их уровень измеряется в дБ/мкВ.

Электрические характеристики транзисторов и диодов, используемых в мощных модулях, оказывают существенное влияние на уровень излучаемых радиопомех, так же как и распределенные характеристики элементов конструкции. Специалистами SEMIKRON разработана методика моделирования процессов распространения помех, создаваемых импульсными каскадами, с помощью программ схемотехнического моделирования. Для анализа спектра токов помех используются эквивалентные схемы, одна из которых приведена на рис. 8. Вместо источника питания в схеме используется т. н. цепь стабилизации импеданса сети — LISN (Line Impedance Stabilization Network). Чтобы отобразить частотную зависимость компонентов устройства, они заменяются эквивалентными RLC-цепями.

Силовой модуль также представлен эквивалентной схемой «Модуль». Источники помех заданы генератором импульсного тока IS для симметричных токов помех и источником импульсного напряжения VS для асимметричных токов помех. Схема VS содержит полумостовой каскад IGBT-транзисторов и генератор импульсов. Для анализа процесса образования асимметричных помех были разработаны специальные SPICE-модели силовых ключей и антипараллельных диодов, особое внимание в которых было уделено корректному отображению временных характеристик тока коллектора и напряжения «коллектор — эмиттер». Данные модели максимально достоверно имитируют процессы включения и выключения транзисторов с учетом процесса обратного восстановления оппозитного диода и токового «хвоста» IGBT-транзистора.

Стандартным способом подавления радиопомех является использование сетевых фильтров, включаемых в линиях питания импульсных преобразовательных устройств. Применение подобных фильтров заметно увеличивает стоимость и габариты устройства. Для упрощения и удешевления фильтра необходимо максимально снизить уровень помех, генерируемых силовым модулем на этапе его проектирования. Именно такой подход используется при разработке модулей SEMIKRON. Оптимизация конструкции модуля с точки зрения снижения уровня EMI стала возможной благодаря разработке эквивалентных схем, позволяющих анализировать пути возникновения и распространения сигналов помехи и эквивалентных схем модулей IGBT, учитывающих влияние паразитных элементов конструкции.

На рис. 9 показаны эпюры спектрального состава сигналов помех, измеренные для стандартного модуля IGBT и модуля SEMITRANS, имеющего оптимизированную топологию. Измерения проводились для полумостового каскада при следующих условиях эксплуатации: напряжение шины питания — 450 В, ток нагрузки — 20 А, частота ШИМ — 20 кГц. Эпюры показывают значительное снижение EMI модуля SEMIKRON. Как видно из графиков, на некоторых частотах уровень помех снижен более чем на 20 дБ.

Программа SEMISEL

В таблице 5 приведены типы новых модулей SEMITRANS, разработанных в последнее время. Модули ранних серий 123 и 124 рекомендуется применять, если к изделию не предъявляются серьезные требования по эффективности, а главным является минимальная стоимость. Однако, особенно в условиях России, ценовые характеристики изделия, соотношение «цена — качество» имеют немаловажное значение.

Таблица 5. Ток коллектора и типы новых модулей SEMITRANS (GB — полумост, GA — одиночный модуль, рабочее напряжение 1200 В)

В преобразователях с мощностью, достигающей сотен киловатт, увеличение эффективности даже на 1% позволяет не только сэкономить электроэнергию, но и улучшить тепловые режимы работы силовых компонентов, повысить надежность изделия, увеличить его ресурс. Именно поэтому выбор силового модуля, позволяющего минимизировать потери в конкретных условиях эксплуатации, является очень важной задачей.

Для сравнения различных компонентов необходимо произвести расчет потерь при одинаковых условиях эксплуатации, определить температуру кристалла в наиболее тяжелых условиях эксплуатации. Однако далеко не все разработчики достаточно хорошо владеют методиками теплового расчета. Для упрощения этого процесса SEMIKRON предлагает программу SEMISEL — простой и точный инструмент, позволяющий осуществить оптимальный выбор [4]. На рис. 10 показано исходное меню программы, в котором пользователь указывает рабочие режимы проектируемого изделия. Далее, после выбора одного из предлагаемых модулей, программа осуществляет расчет и выводит на экран тепловые режимы его работы с учетом всех особенностей конструкции модуля. В процессе работы с программой можно выбрать подходящий драйвер SEMIKRON, изменить исходные данные, условия охлаждения или тип радиатора.

На рис. 7 показаны графики зависимости выходного тока инвертора от частоты, полученные с помощью программы SEMISEL. Пользуясь средствами программы, определим для примера, какой из модулей SEMITRANS с током 400 А имеет наименьшие потери в одинаковых рабочих режимах. В таблице 6 приведены результаты расчетов суммарной рассеиваемой мощности PТОТ, максимальной температуры кристалла IGBT TjI и антипараллельного диода TjD, температуры корпуса модуля Tc и температуры теплостока Ts модулей различного типа в схеме 3-фазного преобразователя частоты при двух значениях частоты огибающей fOUT и следующих условиях эксплуатации:

  • напряжение шины питания VDC = 600 B;
  • выходное напряжение VOUT = 400 B;
  • выходной ток IOUT = 50 A;
  • cos φ = 0,85;
  • частота ШИМ, fsw = 8 кГц;
  • охлаждение — принудительное воздушное, 85 м3/ч;
  • температура окружающей среды — 40 °С;
  • тепловое сопротивление теплостока Rthsa — 0,11 °С/Вт
Таблица 6. Рабочая температура модулей различного типа

На сегодняшний день программу SEMISEL SEMIKRON следует признать наиболее автоматизированной, точной и простой в использовании, так как она охватывает практически все существующие схемы и требует от пользователя ввода только числовых исходных данных. Удобный интерфейс, пояснения, данные для всех режимов работы, позволяют использовать программу разработчикам средней квалификации.

Главным ограничением для использования SEMISEL является то, что эта программа предназначена для выбора и расчета компонентов производства SEMIKRON, так как все коэффициенты, использованные в формулах и выражениях, рассчитаны применительно к данным компонентам. Однако номенклатура выпускаемых SEMIKRON компонентов столь широка, что потребитель всегда может найти среди изделий подходящий элемент для своих разработок.

Литература

  1. Ralph Annacker, Markus Hermwille. 1200V Modules with Optimised IGBT and Diode Chips. Semikron Elektronik GmbH.
  2. J. Li, R. Hetzer, R Annacker, B. Koenig. Modern IGBT/FWD chip sets for 1200V applications. Semikron Elektronik GmbH.
  3. Колпаков А. Оптимизация параметров антипараллельных диодов SEMIKRON // Компоненты и технологии. 2003. № 2.
  4. Колпаков А. И. Программа автоматического теплового расчета SEMISEL // Компоненты и технологии. 2002. № 9.

Скачать статью в формате PDF  Скачать статью Компоненты и технологии PDF

 


Сообщить об ошибке