Сильные и надежные: промышленные IGBT-модули от International Rectifier

№ 1’2015
PDF версия
Компания International Rectifier анонсировала выпуск новой продукции — силовых IGBT-модулей. На первом этапе в производство запущены модули на базе IGBT-кристаллов поколений Gen5 и Gen7. Затем предполагается начать изготовление модулей, содержащих IGBT-кристаллы нового поколения Gen8, обладающих низкими значениями напряжения насыщения и способных коммутировать большие токи. Цель данной статьи — познакомить читателей с номенклатурой IGBT-модулей IR.

В далеком 1959 году компания International Rectifier начала выпуск полупроводниковых компонентов и с тех пор стала одним из лидеров в области создания силовых полупроводников. На сегодня International Rectifier лидирует в сегменте производства силовых MOSFET, и, несмотря на огромное количество конкурентов, ее доля превышает 10% рынка. Усилия IR, направленные на развитие технологии IGBT, привели к тому, что компания вышла на второе место в этом сегменте.

IR производит целый спектр электронных компонентов для силовой техники, основными группами из которых являются:

  • различные MOSFET, в том числе инновационные транзисторы DirectFET в корпусах с двухсторонним теплоотводом;
  • силовые IGBT на напряжения от 330 до 1400 В с различными уровнями быстродействия (standart, fast, ultra-fast, warp, warp‑2);
  • микросхемы драйверов IGBT и MOSFET;
  • транзисторы с функциями защиты и измерения тока (интеллектуальные ключи);
  • интеллектуальные силовые модули, интегрирующие силовые ключи и драйверы с цепями защиты;
  • понижающие синхронные DC/DC-преобразователи с интегрированными силовыми ключами;
  • твердотельные реле и т. д.

International Rectifier постоянно отслеживает интересы рынка и регулярно предлагает потребителям новые решения и продукты. Совсем недавно компания анонсировала новое направление своей деятельности — производство IGBT-модулей.

Эти устройства достаточно давно выпускаются другими компаниями, и в настоящее время лидируют в данном направлении Mitsubishi, Infineon, Semikron и Fuji. Попытка освоения столь насыщенного сегмента может показаться неоправданной, однако International Rectifier имеет целый ряд преимуществ, позволяющих «получить свой кусок пирога» на рынке мощных IGBT-модулей.

Во‑первых, это наличие собственных современных технологий изготовления IGBT-кристаллов, в том числе новых кристаллов поколения Gen8.

Во‑вторых, IR не является новичком в создании силовых модулей. В 2003 году компания вывела на рынок интеллектуальные силовые модули (IPM), которые представляют собой законченную систему в одном корпусе (System-in-Package, SIP), состоящую из силового IGBT-инвертора и драйвера силовых ключей с системами мониторинга и защиты.

Таким образом, в ближайшем будущем новые IGBT-модули от IR могут занять лидирующие позиции. Их преимущества основаны на достоинствах IGBT-технологий IR. Ну а теперь рассмотрим эти технологии более подробно.

 

Технологии IGBT компании International Rectifier

В настоящее время IR производит IGBT по технологиям нескольких поколений. Соотношение частотных характеристик и рабочих напряжений каждого из поколений представлено на рис. 1.

Технологии производства IGBT компании International Rectifier

Рис. 1. Технологии производства IGBT компании International Rectifier

Поясним ключевые особенности каждой технологии:

  • Gen4 и Gen5 — планарные IGBT, разработанные достаточно давно, но не утратившие своей актуальности и сегодня. Ряд свойств этих транзисторов продолжает оставаться востребованным в современной электронике. Например, только представители поколений Gen4 и Gen5 обладают рабочей частотой до 150 кГц (WARP IGBT), что позволяет эффективно использовать их как в низкочастотных системах приводов электродвигателей, так и в высокочастотных источниках бесперебойного питания.
  • Gen6 — поколение Trench IGBT, предназначенное для работы на средних частотах (от 1 до 30 кГц) с напряжениями до 600 В. Область применения этих IGBT — системы электропривода и преобразователи переменного напряжения.
  • Gen7 — транзисторы, выполненные по технологии Field Stop Trench и обладающие отличными статическими и динамическими характеристиками. Данные IGBT предназначены для работы в области средних частот (от 1 до 30 кГц) с напряжениями до 1200 В. Они находят применение в источниках бесперебойного питания, силовых инверторах, преобразователях альтернативной (возобновляемой) энергии, сварочных аппаратах.
  • Новые Trench IGBT поколения Gen8 анонсированы совсем недавно. Их целевое назначение — низкочастотные приложения с напряжениями до 1200 В, примером которых могут служить мощные инверторы электродвигателей. Особо следует сказать о преимуществах IGBT поколения Gen8: если сравнивать их с устройствами остальных поколений и с лучшими образцами других фирм-производителей, можно отметить такие достоинства (табл. 1):
    • малое напряжение насыщения Uкэ(вкл.);
    • низкое напряжение открывания Uзэ(откр.);
    • высокие значения пикового тока, который может втрое превышать номинальный рабочий ток.
Таблица 1. Преимущества IGBT поколения Gen8 от International Rectifier

Тип IGBT

 Uкэ(вкл.), В

Uзэ(откр.), В

Iк max

Технология

IR Gen 8

1,70

5–6,5

 3×Iк ном.

Field Stop  Trench

Сравниваемый IGBT  A

1,85

5–6,5

 3×Iк ном.

Сравниваемый IGBT  B

1,95

6–7

 2×Iк ном.

Сравниваемый IGBT  C

1,80

5–7

 2×Iк ном.

Сравниваемый IGBT D

1,80

 6,4 (тип)

 2×Iк ном.

SPT Planar

Уменьшение напряжения открывания Uзэ(откр.) в Gen8 приводит к увеличению плотности тока при тех же значениях напряжения коллектор-эмиттер (рис. 2).

Значение плотности тока IGBT Gen8 и конкурентных решений

Рис. 2. Значение плотности тока IGBT Gen8 и конкурентных решений

Как уже говорилось, IGBT Gen8 созданы для низкочастотных приложений (до 8 кГц). На низких частотах основной вклад в общую мощность потерь вносят потери проводимости, которые пропорциональны напряжению насыщения. Уменьшение напряжения насыщения приводит к значительному сокращению потерь мощности (рис. 3) и рабочей температуры транзистора. Следует отметить, что IGBT Gen8 имеют и низкую энергию переключения, а потому динамические потери этих устройств достаточно малы.

Потери мощности в различных IGBT

Рис. 3. Потери мощности в различных IGBT

Благодаря наличию различных технологий производства IGBT-кристаллов сегодня компания IR создает силовые модули с разнообразными электрическими характеристиками, что позволяет выбрать оптимальное решение для каждой конкретной задачи.

 

Особенности IGBT-модулей компании International Rectifier

В настоящее время номенклатура IGBT-модулей от IR включает более 70 представителей. Обобщая их технические характеристики, можно вывести несколько основных принципов, присущих модулям IR:

  • устройства выполнены на IGBT-кристаллах поколений Gen5 и Gen7, анонсированы IGBT-модули на кристаллах поколения Gen8;
  • по быстродействию делятся на несколько групп: standart (до 1 кГц), fast (от 1 до 8 кГц), ultra-fast (от 8 до 30 кГц);
  • рабочие напряжения составляют 600 или 1200 В;
  • выпускаются в шести типах корпусов промышленного стандарта;
  • номинальные токи в пределах от 10 до 450 А;
  • имеется широкий спектр топологии модулей.

Все эти характеристики кодируются в названии модуля (рис. 4).

Расшифровка наименований IGBT-модулей от IR

Рис. 4. Расшифровка наименований IGBT-модулей от IR

Корпусные исполнения IGBT-модулей IR не только соответствуют промышленным стандартам (табл. 2), но и повыводно совместимы с аналогичными продуктами компаний данного сектора, что позволяет в существующих схемах устанавливать эти силовые модули взамен устройств других производителей.

Таблица 2. Соответствие между стандартными корпусами и их обозначениями в номенклатуре IR

Общепринятое обозначение

Обозначение  IR

34mm

POWIR 34

62mm

POWIR 62

EconoPack 2

POWIR ECO 2 

EconoPack 3

POWIR ECO 3

EconoPack Dual 3

POWIR ECO 3+ 

EasyPack 1B, EasyPIM 1B

EZIRPACK 1

Модули строятся по различным топологиям (рис. 5): одиночные мощные IGBT (маркировка в названии — SD), чоппер верхнего плеча (CH), чоппер нижнего плеча (CL), полумост (HF), Н‑мост (HH), 3‑фазный инвертор (FF), 3‑фазный инвертор с входным 3‑фазным диодным выпрямителем и чопперным IGBT нижнего плеча (PM).

 

Номенклатура IGBT-модулей от International Rectifier

IGBT-модули в корпусе POWIR 34 выпускаются для рабочих напряжений 600 и 1200 В и рабочих частот до 30 кГц (табл. 3). Главное отличие этой группы заключается в наименьшем среди модулей IR напряжении насыщения — от 1,7 В, максимальный рабочий ток составляет 200 А.

Таблица 3. IGBT-модули в корпусе POWIR 34

Наименование

IGBT

Диод

Серия

Iк,
А

Uкэ (нас.),
В

Eпер.,
мДж

Rth кристалл-корпус, °С/Вт

Uпрям.,
В

Eпер.,
мДж

Rth кристалл-корпус, °С/Вт

600 В

IRG5K50HF06A

50

1,8

1,43

0,51

1,4

0,25

1,45

Standard

IRG5K75HF06A

75

1,8

1,42

0,38

1,4

0,38

1,05

IRG5KI00HF06A

100

1,8

3,7

0,31

1,5

0,14

1,05

IRG5KI50HF06A

150

1,8

7,3

0,19

1,4

0,26

0,69

IRG5K200HF06A

200

1,8

9,5

0,155

1,5

0,34

0,52

IRG5W50HF06A

50

2,5

0,33

0,48

1,5

0,2

1,45

Ultra-Fast

IRG5U75HF06A

75

2,5

1,51

0,38

1,4

0,51

1,05

IRG5U100HF06A

100

2,5

2,45

0,31

1,5

0,5

1,05

IRG5U150HF06A

150

2,5

3,01

0,19

1,4

0,95

0,52

IRG5U200HF06A

200

2,5

4,86

0,155

1,5

0,53

1

1200 В

IRG5K35HF12A

35

2,3

4,36

0,44

1,8

0,9

0,81

Standard

IRG5K50HF12A

50

2,3

7,06

0,32

2

1,7

0,87

IRG5K75HF12A

75

2,30

8,9

0,24

2,2

1,6

0,56

IRG5K100HF12A

100

2,30

15,1

0,2

2

2,3

0,41

IRG7T50HF12A

50

1,90

5,97

0,44

2

1,5

0,87

Fast

IRG7T75HF12A

75

1,90

8,8

0,33

2,2

1,5

0,56

IRG7T100HF12A

100

1,90

14,6

0,26

2,2

1,5

0,41

IRG5U50HF12A

50

3,20

4,6

0,32

2

1,02

0,87

Ultra-Fast

IRG5U75HFI2A

75

3,20

7,6

0,23

2,2

1,2

0,56

IRG5U100HF12A

100

3,20

11,4

0,2

2,2

2,4

0,41

IRG7U50HF12A

50

1,70

6,6

0,48

2

1

0,87

IRG7U75HF12A

75

1,70

12,3

0,33

2,2

1,3

0,56

IRG7U100HF12A

100

1,70

19,3

0,26

2,2

0,8

0,41

* Характеристики указаны для температуры кристалла 25 °С.

Ток коллектора указан для температуры корпуса 80 °С.

Самыми мощными и способными коммутировать токи до 400 А (табл. 4) считаются IGBT-модули в корпусе POWIR 62. Их тепловое сопротивление имеет минимальное значение. Топологии ограничены одиночными IGBT, полумостовыми и чопперными схемами.

Таблица 4. IGBT-модули в корпусе POWIR 62

Наименование

IGBT

Диод

Серия

Iк,
А

Uкэ (нас.),
В

Eпер.,
мДж

Rth кристалл-корпус, °С/Вт

Uпрям.,
В

Eпер.,
мДж

Rth кристалл-корпус, °С/Вт

600 В

IRG5K200HF06B

200

1,8

9,5

0,157

1,4

0,4

0,383

Standard

IRG5K300HF06B

300

1,8

12,3

0,104

1,4

0,26

0,348

IRG5K400HF06B

400

1,8

19

0,077

1,4

0,26

0,348

IRG5K400CL06B

400

1,8

19

0,077

1,4

0,26

0,348

1200 В

IRG5K100HF12B

100

2,3

9,4

0,163

2

2,4

0,409

Standard

IRG5K150HF12B

150

2,3

19,1

0,118

2

3,7

0,28

IRG5K200HF12B

200

2,3

36,9

0,1

2

3,8

0,204

IRG7T100HF12B

100

1,9

15

0,22

2

1,7

0,409

Fast

IRG7T150HF12B

150

1,9

16,6

0,165

2,2

3

0,28

IRG7T200HF12B

200

1,9

37,3

0,141

2

3,7

0,204

IRG7T300HF12B

300

1,9

41,7

0,099

2,2

7,6

0,136

IRG5U100HF12B

100

3,3

10

0,16

2

2,2

0,41

Ultra-Fast

IRG5U150HF12B

150

3,3

14,1

0,114

2,2

3,6

0,28

IRG5U200HF12B

200

3,3

19,1

0,1

2,2

6

0,204

IRG5U300HF12B

300

3,3

37,3

0,066

2,2

9,8

0,136

IRG7U100HF12B

100

1,7

17,1

0,26

2,2

1,5

0,41

IRG7U150HF12B

150

1,7

22,4

0,165

2,2

2,6

0,282

IRG7U200HF12B

200

1,7

34,2

0,132

2

3,2

0,204

IRG7T150CH12B

150

1,9

16,6

0,165

2,2

3

0,28

Fast

IRG7T200CH12B

200

1,9

37,3

0,141

2

3,7

0,204

IRG7T300CH12B

300

1,9

41,7

0,099

2,2

7,6

0,136

IRG7T150CL12B

150

1,9

16,6

0,165

2,2

3

0,28

IRG7T200CL12B

200

1,9

37,3

0,141

2

3,7

0,204

IRG7T300CL12B

300

1,9

41,7

0,099

2,2

7,6

0,136

IRG7T300SD12B

300

1,9

41,7

0,099

2,2

7,6

0,136

Fast

IRG7T400SD12B

400

1,9

45,7

0,059

2,2

3,61

0,1

IRG5U200SD12B

200

3,3

19,1

0,1

2,2

6

0,204

Ultra-Fast

IRG5U300SD12B

300

3,30

37,3

0,066

2,2

9,8

0,136

IRG5U400SD12B

400

3,30

38,4

0,05

2

7,2

0,102

* Характеристики указаны для температуры кристалла 25 °С.

   Ток коллектора указан для температуры корпуса 80 °С.

Для приложений малой мощности предназначены IGBT-модули в корпусе POWIR ECO 2, с токами до 100 А (табл. 5). Они имеют мостовую или 3‑фазную топологию и идеально подходят для построения электроприводов средней мощности.

Таблица 5. IGBT-модули в корпусе POWIR ECO 2

Наименование

IGBT

Диод

Серия

Iк,
А

Uкэ (нас.),
В

Eпер.,
мДж

Rth кристалл-корпус, °С/Вт

Uпрям.,
В

Eпер.,
мДж

Rth кристалл-корпус, °С/Вт

600 В

IRG5K50FF06E

50

1,8

1,4

0,515

1,4

0,25

1,41

Standard

IRG5K75FF06E

75

1,8

1,4

0,38

1,4

0,38

1,06

IRG5K100FF06E

100

1,8

3,7

0,31

1,5

0,14

1,06

IRG5K75HH06E

75

1,8

1,4

0,38

1,4

0,38

1,06

IRG5K100HH06E

100

1,8

3,7

0,31

1,5

0,14

1,06

IRG5K30PM06E

30

1,8

0,5

0,76

1,4

0,1

2

IRG5K50PM06E

50

1,8

1,4

0,51

1,4

0,25

1,45

IRG5U75HH06E

75

2,5

1,5

0,38

1,4

0,5

1,06

Ultra-Fast

IRG5U100HH06E

100

2,5

2,5

0,31

1,5

0,5

1,06

1200 В

IRG7T50FF12E

50

1,9

6

0,44

2

1,5

0,87

Fast

IRG7T10PM12E

10

1,9

1,9

1,129

2

0,6

1,982

IRG7T15PM12E

15

1,9

2,4

0,801

2

0,3

1,42

IRG7T25PM12E

25

1,9

3,1

0,656

2,2

0,32

1,42

IRG7T40PM12E

40

1,9

5,4

0,442

2

0,84

0,77

IRG5U50HH12E

50

3,3

4,6

0,32

2,2

1,02

0,87

Ultra-Fast

IRG5U75HH12E

75

3,3

7,6

0,23

2,2

1,2

0,56

* Характеристики указаны для температуры кристалла 25 °С.

    Ток коллектора указан для температуры корпуса 80 °С.

Выполненные в корпусе POWIR ECO 3 и POWIR ECO 3+, IGBT-модули обладают большей мощностью по сравнению с модулями POWIR ECO 2 и также подходят для построения электроприводов (табл. 6, 7).

Таблица 6. IGBT-модули в корпусе POWIR ECO 3

Наименование

IGBT

Диод

Серия

Iк,
А

Uкэ (нас.),
В

Eпер.,
мДж

Rth кристалл-корпус, °С/Вт

Uпрям.,
В

Eпер.,
мДж

Rth кристалл-корпус, °С/Вт

600 В

IRG5K75PM06F

75

1,8

1,42

0,38

1,4

0,38

1,06

Standard

IRG5K100PM06F

100

1,8

3,7

0,31

1,5

0,14

1,06

IRG5K100FF06F

100

1,8

3,7

0,31

1,5

0,14

1,05

1200 В

IRG7T50FF12F

50

1,9

6

0,44

2

1,5

0,87

Ultra-Fast

IRG7T75FF12F

75

1,9

8,8

0,33

2,2

1,5

0,56

IRG7T100FF12F

100

1,9

14,6

0,26

2,2

1,7

0,41

IRG7T150FF12F

150

1,9

22,5

0,19

2

3

0,35

* Характеристики указаны для температуры кристалла 25 °С.

   Ток коллектора указан для температуры корпуса 80 °С.

Таблица 7. IGBT-модули в корпусе POWIR ECO 3+

Наименование

IGBT

Диод

Серия

Iк,
А

Uкэ (нас.),
В

Eпер.,
мДж

Rth кристалл-корпус, °С/Вт

Uпрям.,
В

Eпер.,
мДж

Rth кристалл-корпус, °С/Вт

1200 В

IRG7T150HF12J

150

1,9

171

0,147

2,2

2

0,29

Fast

IRG7T225HF12J

225

1,9

25,9

0,11

2,2

5,2

0,188

IRG7T300HF12J

300

1,9

41,7

0,098

2,2

7,6

0,136

IRG7T450HF12J

450

1,9

101,4

0,066

2,2

5,2

0,117

* Характеристики указаны для температуры кристалла 25 °С.

   Ток коллектора указан для температуры корпуса 80 °С.

Самые скромные показатели коммутируемых токов у IGBT-модулей в корпусе EZIRPACK 1. Максимальный ток для них составляет 30 А (табл. 8).

Таблица 8. IGBT-модули в корпусе EZIRPACK 1

Наименование

IGBT

Диод

Серия

Iк,
А

Uкэ (нас.),
В

Eпер., мДж

Rth кристалл-корпус, °С/Вт

Uпрям., В

Eпер., мДж

Rth кристалл-корпус, °С/Вт

600 В

IRG5K15FF06Z

15

1,76

0,74

0,6

1,4

0,06

1,56

Standard

IRG5K10PM06Z

10

1,8

0,34

1,14

1,4

0,1

2,31

IRG5K15PM06Z

15

1,76

0,74

0,6

1,4

0,1

1,56

IRG5K30PM06Z

30

1,8

0,53

0,63

1,4

0,12

1,8

1200 В

IRG7T10PM12Z

10

1,3

1,86

1,02

2

0,6

2,19

Fast

IRG7T15FF12Z

15

1,9

2,37

0,73

2

0,37

1,28

IRG7T15PM12Z

15

1,9

2,37

0,73

2

0,37

1,28

* Характеристики указаны для температуры кристалла 25 °С.

   Ток коллектора указан для температуры корпуса 80 °С.

Как было сказано в начале статьи, вслед за IGBT-модулями на базе IGBT поколений Gen5 и Gen7 компания IR объявила о скором выпуске серии новейших модулей на IGBT поколения Gen8 (табл. 9). Эти устройства предназначены для приложений с рабочими напряжениями 1200 В и максимальными токами до 900 А! Различное корпусное исполнение и широкий спектр реализованных топологий предоставят разработчикам возможность выбрать оптимальный вариант для решения конкретной задачи.

Таблица 9. Перспективные IGBT-модули Gen8 от International Rectifier

Наименование

Корпус

Iк max

Примечание

1200 В

IRG8T50HF12A

34 mm

50

полумост

IRG8T75HF12A

75

IRG8T100HF12A

100

IRG8T150HF12A

150

IRG8T150CH12A

150

чоппер, нижнее плечо

IRG8T150CL12A

150

чоппер, верхнее плечо

IRG8T400SG12B

62 mm

400

одиночный IGBT высокой мощности

IRG8T600SG12B

600

IRG8T900SG12B

900

IRG8T200HF12B

200

полумост

IRG8T300HF12B

300

IRG8T300HF12B + NTC

300

полумост со встроенным терморезистором (NTC)

IRG8T450HF12B

450

полумост

IRG8T50FF12E

EconoPACK 2

50

3-фазный мост

IRG8T75FF12E

75

IRG8T100FF12E

100

IRG8T200FF12F

EconoPACK 3

200

IRG8T150FF12F

150

IRG8T100FF12F

100

IRG8T100FF12V

EconoPACK 4

100

IRG8T150FF12V

150

IRG8T200FF12V

200

IRG8T200CL12V

200

чоппер, нижнее плечо

IRG8T200CH12V

200

чоппер, верхнее плечо

IRG8T200HF12J

EconoDUAL 2

200

полумост

IRG8T6PM12Z + no brake

EasyPIM 1B

6

3-фазный мост со входным выпрямителем, без чоппера

IRG8T10PM12Z

10

3-фазный мост со входным выпрямителем и чоппером

IRG8T10PM12Z + no brake

10

3-фазный мост со входным выпрямителем, без чоппера

IRG8T15PM12Z

15

3-фазный мост со входным выпрямителем и чоппером

 

Заключение

Компания International Rectifier, принадлежащая к числу наиболее известных производителей дискретных IGBT-транзисторов, создала и выпустила на рынок серию силовых IGBT-модулей в корпусах промышленного стандарта. В настоящее время специалистам доступно свыше 70 решений различной топологии и корпусного исполнения, охватывающих диапазон рабочих напряжений до 1200 В и обеспечивающих ток до 450 А. Применение передовых технологий изготовления IGBT-кристаллов и корпусирования обеспечивает модулям IR высокие технические параметры и конкурентные преимущества, а классическая цоколевка корпусов позволяет быстро и безболезненно перейти на модули IR и в существующих изделиях заказчика.

Литература
  1. irf.com
  2. High Power IGBT Modules Product Selection Guide. International Rectifier, 2014.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *