Седьмое поколение IGBT от IR: снизим потери при переключении

Основной вопрос, который возникает у разработчиков, не применявших ранее IGBT - в каком случае применять их, а где стоит использовать классические MOSFET. Для того, чтобы разобраться в этом вопросе, необходимо провести аналогию между параметрами IGBT и MOSFET. Итак, рассмотрим основные параметры транзисторов, их функциональное соответствие и типичные значения.

V_ECS (Collector-to-Emitter Breakdown Voltage) - максимально-допустимое напряжение «коллектор-эмиттер». Является аналогом параметра V_DS MOSFET-транзисторов. Значение этого параметра для IGBT находится в пределах 300...1500 В.

I_C (Continuous Collector Current) - максимальный ток коллектора, аналог тока стока I_D. Диапазон значений для IGBT - 10...200 А.

V_GE (Gate-to-Emitter Voltage) - максимально допустимое напряжение «затвор-эмиттер», аналог параметра V_GS. Значения V_GE находятся в пределах ±20... ±30 В.

V_CE(on) (Collector-to-Emitter Saturation Voltage) - напряжение насыщения «коллектор-эмиттер», определяет потери проводимости в транзисторе, аналог R_ds(on) для MOSFET. Диапазон значений V_CE(on) 1,0...2,5 В.

E_ts (Total Switching Loss) - полные потери на переключения транзистора (измеряется в мкДж). Аналогом у MOSFET является заряд затвора Q_g.

P_d (Maximum Power Dissipation) - максимально возможная рассеиваемая мощность. Как и в случае MOSFET-транзисторов, значение данного параметра в значительной степени определяется типом корпуса транзистора.

Особенностью IGBT-транзисторов является снижение значений параметра, являющегося эквивалентом сопротивления канала MOSFET с увеличением тока, протекающего в IGBT-транзисторе. Воспользуемся конкретным примером сравнения двух различных MOSFET с IGBT, наглядно проиллюстрированном на рис. 1.

Рис. 1. Сравнение IGBT и MOSFET для различных рабочих токов

Из графика видно, что при токах свыше 33 А значение эквивалента R_ds(on) становится ниже реальных значений R_ds(on) для MOSFET с напряжением 150 В, что позволяет получить дополнительную эффективность при использовании IGBT. В случае использования MOSFET с напряжением 200 В при любых токах потери в IGBT-транзисторе значительно ниже.

Однако наравне с выделенными выше преимуществами IGBT-транзисторы проигрывают MOSFET по быстродействию. В отличие от MOSFET, способных работать на частотах в несколько мегагерц, пределом IGBT является порог в 30...40 кГц с существенным ухудшением токовой характеристики на частотах более 20 МГц. Данный факт иллюстрирует рисунок 2.

Рис. 2. Сравнение рабочих токов IGBT и MOSFET на различных частотах

Классификация IGBT компании IR

В зависимости от применяемой технологии изготовления все IGBT-транзисторы компании IR можно разделить на четыре поколения - G4...G7, топология которых приведена на рисунке 3.

Рис. 3. Топология различных поколений IGBT

Применение различных технологий производства позволяет добиться требуемого соотношения основных параметров транзисторов, что определяет их области применения. Как видно на рисунке, наряду с улучшенными характеристиками новые поколения транзисторов обладают и большей стоимостью. Это связано с увеличением общего числа слоев в структуре транзистора, а также усложнением технологических процессов их создания.

Качественную оценку основных характеристик транзисторов на напряжение 1200 В можно сделать, исходя из рис. 4.

Рис. 4. V_CE(on) vs. E_ts для различных поколений транзисторов

Из рисунка видно, что переход от поколения G4, изготавливаемого по punch-through (PT) технологии, к G5, изготавливаемому по non-punch-through (NPT) технологии, сопровождается девятикратным уменьшением потерь на переключение (параметр E_ts) и увеличением потерь на проводимость в 1,5 раза. Таким образом, поколение G5 больше подходит для применения в схемах с более высокими рабочими частотами, чем G4.

Переход к новым технологиям FS Trench (G6) и Epi-Trench (G7), позволил создать IGBT, которые совмещают в себе достоинства предыдущих поколений и обладают низкими значениями E_ts без увеличения потерь проводимости. Кроме того, падение рабочего тока транзистора с увеличением частоты у нового поколения G7 выражено не так ярко, как у транзисторов предыдущих поколений или у IGBT-транзисторов других производителей. Эти выводы можно сделать из рисунка 5, на котором приведена зависимость тока от частоты переключения для различных семейств транзисторов.

Рис. 5. V_CE(on) vs. E_ts для различных поколений транзисторов

Представленные поколения широко представлены на рынке электронных компонентов и перекрывают практически все области применения IGBT (см. таблицу 1).

Строка, расположенная ниже обозначения технологий изготовления транзисторов, определяет тип транзистора с точки зрения его частотных характеристик. Максимальные рабочие частоты, а также значения параметров V_CE(on) и E_ts для каждой группы можно найти в таблице 2.

Литера «К» в таблице 1 обозначает не скоростную группу транзистора, а служит отметкой о способности транзистора сохранять работоспособность в условиях короткого замыкания (Sort Circuit Safe Operation Area - SCSOA). Данный термин введен компанией IR для транзисторов, которые имеют дополнительную защиту против короткого замыкания. Данное свойство является крайне полезным при работе транзисторов на удаленную индуктивную нагрузку (двигатель). В этих условиях длинные линии подвержены сильным внешним помехам и случайным механическим повреждениям, которые могут привести к короткому замыканию выводов транзистора.

IR предлагает три степени защиты IGBT от короткого замыкания, которые определяются допустимой длительностью состояния КЗ (10 мкс, 6 мкс, 3 мкс), при котором, транзистор сохраняет работоспособность после устранения условий КЗ. Наличие подобной защиты приводит к незначительному (0,1...0,2 В) увеличению параметра V_CE(on).

Новинки в семействе G7

Компания IR постоянно совершенствует IGBT как на уровне улучшения характеристик кристаллов, так и путем внедрения инновационных технологий корпусирования. Новая номенклатура транзисторов седьмого поколения, которые будут доступны в скором времени, приведена в таблице 3.

Номенклатура транзисторов G7 напряжением на 1200 В представлена в таблице 4. Все транзисторы данной категории являются ультрабыстрыми, нормированы на ток от 20 до 50 А и находят применение в источниках бесперебойного питания, повышающих преобразователях напряжения и системах индукционного нагрева.

Для расшифровки наименования транзисторов можно воспользоваться справочником по системе нумерации, приведенным на рис. 6.

Рис. 6. Система наименований IGBT G6 и G7

Области применения IGBT-транзисторов G6 и G7

Как видно из таблиц 3 и 4, основными областями применения IGBT-транзисторов седьмого поколения являются корректоры коэффициента мощности, инверторы, драйверы моторов и сварочные аппараты.

Корректоры коэффициента мощности

Использование IGBT в схемах ККМ рекомендуется при выходных мощностях свыше 1 кВт. Рабочие частоты схемы составляют 20...25 кГц, что определяет скоростные характеристики транзисторов. Применение 600 В IGBT-транзисторов типов U и W вместо классических MOSFET позволяет добиться уменьшения потерь более чем на 50%.

На рисунке 7 приведены зависимости максимального выходного тока IGBT, работающих в корректоре коэффициента мощности, от частоты переключения. Очевидно преимущество нового семейства на частотах до 50 кГц.

Рис. 7. Кривые тока IGBT и их характеристики при работе в схеме ККМ

Инверторы

Функциональные схемы инверторов приведены на рисунке 8.

Рис. 8. Функциональные схемы полномостового (а), NPC (neutral point clamped) (б) и полумостового (в) инверторов

Первые два типа схем применяются при напряжении шины питания ±400 В и мощностью до 3 кВт (а) и более 3 кВт (б). Транзисторы для данной схемы могут иметь рабочее напряжение 600 В. Переключение разных плечей в схеме (а) осуществляется с различными частотами: верхнее плечо - 20 кГц, нижнее - 50 или 60 Гц (определяется частотой электросети). Поэтому требуется использовать транзисторы различных частотных характеристик, например групп U и S.

Полумостовая (в) схема применяется при напряжении шины питания ±600 В и выходных мощностях более 3 кВт. В этом случае переключение транзисторов осуществляется на частоте 20 кГц, и в схему следует устанавливать транзисторы с напряжением 1200 В группы U. Транзисторы G7, изготовленные по Epi-Trench-технологии, оптимизированны специально под применение в составе инверторных схем, в которых необходимо обеспечение минимальных значений V_CE(on) и E_ts.

Сварочные аппараты

Сварочные аппараты подразделяются на две группы по типу выходного тока: с постоянным или с переменным. Функциональные схемы данных аппаратов приведены на рисунке 9.

Рис. 9. Функциональная схема сварочного аппарата постоянного (а) и переменного (б) тока

Аппараты состоит из полномостового ИП и выходного инвертора (только в структуре (б)), принцип работы которых мы рассмотрели выше. Выбор транзисторов осуществляется по аналогичным критериям.

Системы управления двигателем

Условия работы транзисторов в системах управления двигателем (индуктивная нагрузка) отличаются от рассмотренных выше примеров. И если в схеме ККМ IGBT G6 /G7 проигрывали своим предшественникам на высоких частотах, то при управлении двигателем картина несколько меняется, что иллюстрируется рисунком 10.

Рис. 10. Кривые тока фазы и характеристики IGBT при работе в схеме управления двигателем

Если взять за основу технологии изготовления транзисторов и проанализировать графики, то можно заключить, что:

• Trench-IGBT обладают большим значением V_CE(on), но более низкими значениями E_ON и E_OFF, что приводит к уменьшению потерь в сравнении с IFX;
• Trench-IGBT обеспечивают более высокий ток на частоте 10кГц;
• NPT-транзисторы обладают зоной SCSOA шириной 10мкс.

Драйвера IGBT

Для правильного обеспечения закрытия и открытия IGBT-транзисторов необходимо применение специальных высоковольтных микросхем-драйверов (HVIC - High Voltage Integrated Circuit). Они позволяют создать требуемый перепад напряжения между коллектором, находящимся под напряжением несколько сотен вольт, и затвором. Кроме того, драйвера обеспечивают высокий ток (несколько ампер) для быстрой перезарядки паразитных емкостей транзистора, что обеспечивает меньшие потери энергии при переключении транзисторов.

Компания IR предоставляет широкий спектр драйверов IGBT-транзисторов, которые рассчитаны на различное число управляющих каналов (как входных, так и выходных). Самые простые из них - одноканальные микросхемы, предназначенные для управления одним транзистором в составе ККМ, а самые сложные (семиканальные) - способны управлять всеми транзисторами, входящими в состав схем управления двигателями или многофазными инверторами. Драйверы рассчитаны на различные управляющие напряжения и токи затворов транзисторов.

В таблице 5 приведены характеристики и особые функции двухканальных драйверов. Красным цветом выделены позиции, планируемые к выпуску.

Для удобства потребителей наименование микросхем драйверов подчинено системе (part numbering system), представленной на рис. 11.

Рис. 11. Система партнамберов IGBT-драйверов

Заключение

Седьмое поколение (Gen7) IGBT от компании International Rectifier совмещает в себе низкие значения V_CE(on) и E_ts, что позволяет использовать их как в «быстрых», так и в «медленных» частях электрических схем, добиваясь высокого КПД при узкой номенклатуре применяемых компонентов.

Компания КОМПЭЛ является официальным дистрибьютором IR, и в нашем параметрическом каталоге по адресу http://catalog.compel.ru/igbt/list, вы можете найти подходящий по параметрам IGBT-транзистор, просмотреть документацию и получить информацию о наличии на складе и цене конкретного IGBT.

Литература

1. VolkerSchendel, Harald Reichert. Материалы семинара IGBTs & Gate Driver ICs", IR, 2011 г.

Получение технической информации, заказ образцов, поставка - e-mail: [email protected]