В статье рассмотрены особенности нового поколения IGBT транзисторов компании International Rectifier, предназначенных для использования в массовом промышленном электроприводе и приводе бытовой техники мощностью до нескольких киловатт. Благодаря высокой эффективности и высокому соотношению эффективность/цена новое поколение транзисторов способствует решению многих технических и экономических проблем при производстве привода малой мощности и импульсных источников питания.

Со времени появления Trench IGBT на рынке несколько лет назад их производство было освоено несколькими крупнейшими производителями силовых полупроводниковых приборов. В настоящее время транзисторы этого типа применяются при производстве как дискретных полупроводниковых приборов в стандартных корпусах, так и силовых модулей. Привлекательность транзисторов этого типа для потребителей обусловлена двумя факторами — более низкими потерями проводимости и меньшим размером кристаллов. Первый из этих факторов является решающим при производстве силовых модулей, используемых в электроприводе средней и большой мощности. Компактность кристалла определяет в значительной мере цену дискретного IGBT в стандартном корпусе. Поэтому этот фактор является первостепенным для производителей импульсных источников питания промышленного и бытового применения.

Компания International Rectifier до последнего времени не производила Trench IGBT, несмотря на то, что разработка семейства приборов этого типа была завершена четыре года назад. Причина пересмотра политики компании в этой области состоит в быстром увеличении емкости рынка электропривода промышленного и бытового назначения небольшой (до нескольких киловатт) мощности и рынка импульсных источников питания для бытовой техники. С ростом этих секторов рынка все более актуальной становится потребность в IGBT, сочетающих в себе более высокую эффективность с более низкой рыночной ценой. Ответом на эту потребность стали IGBT шестого поколения производства IR.

Основные отличия в характеристиках транзисторов нового и предыдущих поколений обусловлены коренным различием в структуре кристалла. Сравнение структур кристаллов представлены на рис. 1.

Рисунок 1. Эволюция кристалла IGBT

Четвертое поколение транзисторов IR относится к типу PT (Punch Through) IGBT, производится на толстых пластинах и имеет планарный затвор. При производстве пятого поколения IGBT используется NPT (Non Punch Through) технология с планарным затвором. Благодаря снижению толщины пластины до 87 мкм и применению новой технологии у этого поколения существенно снижены потери на переключение и улучшены тепловые характеристики. Новые IGBT шестого поколения относятся к типу DS (Depletion Stop) Trench IGBT. Кристалл такого транзистора содержит вертикально расположенный затвор и блокирующий носители слой (depletion stop). Краткие технические характеристики транзисторов приведены в табл. 1.

Семейство DS Trench IGBT производства IR (поколения 6) предлагается в настоящее время в виде кристаллов и в корпусах ТО-220 и ТО-247. Транзисторы нормированы на максимальное напряжение «коллектор-эмиттер» 600 В и выпускаются для диапазона токов коллектора Ic от 4 А до 48 А, при температуре корпуса 100°С. Все транзисторы специфицированы на устойчивость к короткому замыканию в течение 5 мкс. Все корпусированные приборы выполнены по схеме Co-Pack (имеют встроенный антипараллельный ультрабыстрый диод). Новые транзисторы отличает низкая полная энергия потерь Ets и низкое падение напряжения. Пороговое напряжение отпирания затвора находится в диапазоне от 4…6.5 В. Все транзисторы выпускаются в бессвинцовом исполнении.

Trench IGBT поколения 6, как и NPT IGBT, имеют прямоугольную зону безопасной работы. Антипараллельный ультрабыстрый диод специфицирован на токи, равноценные токам транзистора, что важно при использовании транзисторов в инверторах электропривода. Благодаря более низким потерям на переключение они могут работать в более широком диапазоне частот ШИМ, чем транзисторы предыдущих поколений (до 30 кГц). С учетом этого, а также вследствие более низких потерь проводимости и лучшего баланса потерь мощности в полном диапазоне частот ШИМ Trench IGBT являются эффективной универсальной альтернативой как NPT IGBT, так и PT IGBT любого частотного диапазона — от низкочастотных до WARP. Возможные варианты замен представлены в табл. 2.

Лучшие тепловые характеристики транзисторов этого типа достигаются за счет уменьшения толщины (70 мкм) пластин. Благодаря применению технологии trench затвор расположен вертикально, что способствует существенному снижению площади ячейки. У транзисторов шестого поколения площадь ячейки снижена по сравнению с предыдущими поколениями на 40%. Благодаря этому кристалл становится более компактным или существенно возрастает ток транзистора при равноценной площади кристалла. У вертикального затвора в отличие от планарного отсутствуют горизонтальные участки протекания тока. Ток течет к коллектору по кратчайшему пути, что обеспечивает снижение потерь на проводимость. В этом отношении транзисторы IR схожи со своими аналогами.

Отличие же состоит в том, что IR уделил основное внимание не потерям проводимости, а комплексной эффективности транзистора при работе в широком диапазоне частот ШИМ. Поэтому новые транзисторы более полно отвечают современным требованиям. Актуальными требованиями (помимо снижения цены и уровня потерь для современной преобразовательной промышленной и бытовой техники) стали возможность работы на ультразвуковых частотах ШИМ для снижения уровня аудиошумов и повышения компактности и более жесткие ограничения мощности генерируемых помех.

Падение напряжения на транзисторах Trench IGBT и семейств выпускаемых ранее, в открытом состоянии, демонстрируют графики, приведенные на рис. 2.

Рисунок 2. Сравнение падения напряжения насыщения IGBT различных поколений (температура кристалла 150°С)

Во всем диапазоне токов коллектора Trench IGBT поколения 6 имеют более низкое падение напряжения. Наи-большее преимущество новые транзисторы демонстрируют по сравнению с NPT IGBT поколения 5 (G5 NPT), особенно при высокой токовой загрузке, наиболее характерной при применении IGBT. Они также превосходят по этому показателю транзисторы поколения 4 всех частотных диапазонов — от «быстрых» до «ультрабыстрых» (G4 F – G4 U). Благодаря этому транзисторы поколения 6 обеспечивают минимальные потери на проводимость среди транзисторов, производимых компанией. Это позволяет рекомендовать их в качестве альтернативных, более эффективных приборов при разработке новых или модернизации существующих устройств преобразовательной техники для приложений, где потери на проводимость являются превалирующим фактором.

Вследствие расширения диапазона рабочих частот ШИМ учет потерь на переключение в транзисторах при проектировании современных импульсных источников питания и электропривода играет не меньшую роль, чем учет потерь на проводимость. До последнего времени предлагаемые на рынке Trench IGBT по этому показателю уступали NPT IGBT. Благодаря этому NPT IGBT производства IR в ряде случаев превосходили Trench IGBT других производителей не только по потерям на переключение, но и по суммарной мощности потерь. Поэтому при разработке собственной технологии производства Trench IGBT компания уделила самое серьезное внимание обеспечению преимущества новым транзисторам и в этой области. Новые транзисторы разрабатывались таким образом, чтобы они получили превосходство перед своими предшественниками по всем составляющим потерь на переключение. Транзисторы поколения 6 имеют более низкую (до 25%) энергию включения, чем PT IGBT поколения 4 и NPT IGBT поколения 5 во всем диапазоне токов коллектора.

Гораздо более весомый вклад в баланс потерь на переключение вносит процесс выключения IGBT вследствие наличия так называемого «хвоста», который обеспечивает основную долю потерь при выключении. За счет его укорочения в NPT IGBT поколения 5 удалось снизить уровень потерь при выключении в 2–4 раза по отношению к PT IGBT поколения 4. На базе поколения 5 было создано семейство WARP 2 так называемых «безхвостых» NPT IGBT, адаптированных для применения в импульсных источниках питания и равноценных или превосходящих многие типы силовых полевых транзисторов по эффективности.

У новых Trench IGBT удалось еще более укоротить длину «хвоста» и сделать траекторию переключения более плавной, чем у NPT IGBT, что благоприятно сказалось на снижении энергии выключения, которая стала ниже на 10…20% чем у NPT IGBT (см. рис. 3).

Рисунок 3. Сравнение энергии выключения IGBT (Rg= 22О м, Tj=150°С)

При создании новых транзисторов разработчики постоянно балансируют между уровнем потерь на проводимость и переключение. В результате этого появляются приборы, у которых улучшена какая-либо из этих характеристик, при этом оценка общей эффективности неоднозначна. Критерием того насколько удачным оказалась новая разработка IGBT является суммарная мощность потерь. Иллюстрацией к этому могут служить графики, устанавливающие зависимость между падением напряжения на транзисторе и энергией выключения (рис. 4). Снижение энергии выключения у NPT IGBT (G5 NPT) при несколько более низком падении напряжения по сравнению с транзисторами четвертого поколения, устойчивыми к короткому замыканию (линия G4K-G4M), позволило получить более приборы с более высоким к.п.д. Однако они так и не превзошли по эффективности транзисторы поколения 4, не нормированные по режиму короткого замыкания (линия G4W-G4S). Trench IGBT поколения 6 с самого начала проектировались с целью достижения уверенного превосходства по эффективности по отношению ко всем транзисторам предыдущих поколений. С их появлением отпадает необходимость применять широкую номенклатуру транзисторов различных частотных диапазонов, оптимизированных для узкоспециализированных задач, то есть новые транзисторы являются универсальным средством решения широкого круга проблем.

Рисунок 4. Сравнение эффективности IGBT различных поколений (ток коллектора Ic=10A, Rg=22 Ом, Tj=150°C)

Жесткие современные ограничения на мощность помех, генерируемых преобразовательными устройствами, делают это показатель одним из самых актуальных. Низкий уровень излучаемых помех позволяет применять менее дорогие и более компактные сетевые фильтры, то есть понизить стоимость изделия. Уровень излучаемых помех определяется плавностью изменения тока в режиме выключения на хвостовом участке (красные графики на рис. 5).

Рисунок 5. Сравнение процессов выключения в транзисторах

У новых транзисторов (G6 IRGB4056D) изменение тока на конечном участке происходит более плавно, чем у NPT IGBT (G5 IRGB15B60KD1) и даже чем у PT IGBT (G4 IRG4BC30UD), что свидетельствует о более низкой мощности помех. Измерения мощности помех специализированными приборами подтвердили этот факт.

Поскольку Trench IGBT имеют существенно более компактную ячейку и меньший уровень потерь, нагрузочная способность по току кристалла с равноценной кристаллам с планарными затворами площадью может быть выше до 40%. Оценка располагаемых (не пойму, к чему это слово) постоянного Id и среднеквадратического Irms токов коллектора транзисторов в корпусе ТО-220 показывает, что если у «быстрого» транзистора поколения 4 IRG4BC30FD они составляют 17 А и 6.5 А соответственно, у «ультрабыстрого» транзистора IRG4BC30UD 12 А и 7.4 А, у NPT IGBT IRGB15B60KD 15 А и 9.3 А, то у Trench IGBT IRGB4062D уже 24 А и 11.4 А, то есть Trench IGBT имеют преимущество по нагрузочной способности по любому критерию (оценка среднеквадратического тока произведена в инверторе электропривода при напряжении шины постоянного тока 400 В, температурах кристалла и теплоотвода 150°С и 100°С соответственно, частоте и скважности ШИМ 6 кГц и 50%, коэффициенте мощности 0.8 , синусоидальной модуляции с глубиной 0.8). Более высокая токовая отдача Trench IGBT предоставляет и альтернативную возможность — упаковку кристаллов с той же токовой нагрузкой, что и у кристаллов предыдущих поколений IGBT, в более компактные и менее дорогие корпуса транзисторов. Экономическая выгода при этом обеспечивается и за счет удешевления транзисторов и за счет снижения площади инвертора. Для разработчиков преобразовательной техники больший интерес представляет то, как все перечисленные преимущества реализуются в приросте эффективности инвертора. Графики потерь мощности в трехфазном инверторе в зависимости от частоты ШИМ на рис. 6 показывают, что новые транзисторы уверенно повышают эффективность инвертора на 11–15% в используемом в электроприводе диапазоне частот ШИМ.

Рисунок 6. Зависимость мощности потерь инвертора от частоты ШИМ

Структура потерь мощности инвертора, используемого в электроприводе (рис. 7) указывает на то, что c Trench IGBT могут конкурировать только «быстрые» IGBT поколения 4, но только на стандартной промышленной частоте ШИМ 4 кГц и ниже и только по потерям на проводимость, проигрывая при этом по балансу потерь мощности за счет более высоких потерь на переключение.

Рисунок 7. Сравнение структуры потерь мощности инвертора при различных частотах ШИМ

Испытания транзисторов на устойчивость к ложному переключению показали, что паразитного включения Trench IGBT не происходит при скорости нарастания напряжения (dV/dt) 6…10 кВ/мкс в зависимости от тока коллектора, что выше чем у NPT IGBT (4…8 кВ/мкс) но несколько уступает PT IGBT поколения 4 (10…15 кВ/мкс). При испытании полумостовых схем с PT и Trench IGBT не было зафиксировано случаев возникновения сквозных токов в стойке при dV/dt до 10 кВ/мкс, а у NPT IGBT фиксировались случаи нерегулярного возникновения сквозных токов при dV/dt от 6 до 10 кВ/мкс. Аналогично новые транзисторы занимают промежуточное положение по устойчивости к паразитному выключению вследствие высокой скорости изменения тока (dI/dt). Для Trench IGBT граничная величина dI/dt равна 650 А/мкс, что близко к PT IGBT (700 А/мкс) и выше чем у NPT IGBT (350 А/мкс). Таким образом, новые транзисторы близки по устойчивости к паразитному переключению к транзисторам 4 поколения и превосходят транзисторы поколения 5.

Еще одной важной особенностью IGBT является чувствительность к минимальной длительности импульса отпирания. Trench IGBT, как и PT IGBT поколения 4 способны полностью переключиться при длительности управляющего импульса короче 1 мкс. Для уверенного переключения NPT IGBT требуются импульсы длительностью более 1 мкс.

Сравнительная оценка поведения транзисторов в режиме короткого замыкания проводилась для двух случаев, когда транзистор переключается в режиме короткого замыкания и когда режим короткого замыкания возникает в нагрузке при открытом транзисторе. В первом случае было установлено, что Trench IGBT способны выдерживать режим короткого замыкания в течение до 5 мкс (что меньше 10 мкс у PT и NPT IGBT) и демонстрируют более высокий ток короткого замыкания. По этой причине новые транзисторы нормируются на устойчивость к короткому замыканию в течение 5 мкс при кратности тока короткого замыкания по отношению к номинальному 4 вместо 10 мкс и 10 у транзисторов поколений 4 и 5. Во втором случае были отмечены низкий пиковый ток короткого замыкания, что является следствием отсутствием перезаряда затвора, и чрезвычайно низкий «хвостовой ток» короткого замыкания, что свидетельствует о высокой надежности.

Номенклатура 600-вольтовых транзисторов будет в дальнейшем расширяться как за счет применения корпусов типа D-Pak, D2Pak и TO-200 FullPak, так и за счет внедрения новых наименований кристаллов.

Помимо этого кристаллы новых транзисторов будут использованы в новом поколении силовых и интеллектуальных IG-BT модулей. Эти транзисторы предназначены, прежде всего, для повышения эффективности новых разработок преобразовательной техники за счет снижения потерь и системной цены. Основными областями приложений для них являются электропривод и импульсные источники питания мощностью до нескольких кВт. В бытовой технике нового поколения они востребованы в электроприводе компрессоров и вентиляторов кондиционеров, стиральных машин, компрессоров холодильников, в плитах и шкафах индукционного нагрева. При модернизации серийной продукции экономический эффект достигается как за счет снижения стоимости комплектации так и за счет упрощения и снижения стоимости конструкции блока вследствие более низких потерь мощности. В новых разработках электропривода, где предпочтение отдается реализации инвертора на базе силового интеллектуального модуля, новая технология позволяет либо получить в том же корпусе на 40% более высокий выходной ток, либо упаковать схему в гораздо более компактный корпус с более низкой стоимостью. По этим же причинам транзисторы нового семейства представляют интерес для таких промышленных приложений как насосный привод, привод промышленных вентиляторов, установки индукционного нагрева, устройства бесперебойного питания и т.д.

Получить полную документацию по новым типам транзисторов или приобрести Вы сможете, обратившись в офис официального дистрибьютора — компании Rainbow Technologies.