В HTML      В PDF
микроэлектроника, микросхема, микроконтроллер, память, msp430, MSP430, Atmel, Maxim, LCD, hd44780, t6963, sed1335, SED1335, mega128, avr, mega128  
  Главная страница > Статьи > Силовая электроника

реклама

 
радиационно стойкие ПЗУ Миландр

Продажа силового и бронированного кабеля и провода в Москве

текст еще



Курышева Евгения
Фирма Компел

Общие сведения по модулям на основе IGBT-транзисторов и МОП-транзисторов компании SEMIKRON

Модули на IGBT-транзисторах и мощных МОП-транзисторах

Компания SEMIKRON является единственным предприятием по всему миру, которое, начиная с 1975 года, производит изолированные модули для силовой электроники и остается лидером в этой области по настоящее время. Изолированные силовые модули выполняются на основе биполярных транзисторов с изолированным затвором (IGBT) или полевых МОП-транзисторов (металл-оксид-полупроводник) и широко используются в настоящее время в качестве силовых ключей.

Модули на IGBT-транзисторах и мощных МОП-транзисторах компании SEMIKRON оптимально подходят для применения в широком числе приложений. Для этого выпускаются модули различных типоразмеров, с разными методами установки и подключения:

Модули данных серий отличаются конструкцией и сложностью, а также содержат IGBT-транзисторы и МОП-транзисторы, отличающиеся технологиями производства.

В данной статье приводится общая информация по этим модулям. Более детально ознакомиться с особенностями модулей SEMITRANS, SEMITRANS M, SEMiX, SKiM и MiniSKiiP можно, обратившись к их документации.

В целях прозрачности данного материала специфические особенности модулей серии SKiiP и SEMITOP здесь не рассматриваются, а для их уточнения необходимо также обратиться к документации.

Конструкция силовых модулей SEMIKRON на основе IGBT-транзисторов или МОП-транзисторов

IGBT и МОП-транзисторные модули представляют собой корпус с общей базовой пластиной, на которой размещены силовые полупроводниковые кристаллы (транзисторы, диоды и возможные другие компоненты), электрически изолированные от монтажной пластины (теплоотвод).

В силовых модулях компании SEMIKRON задняя сторона кристаллов припаяна к металлизированной поверхности изолирующей подложки с помощью специального метода пайки. Данная подложка выполнена из керамики DCB (диффузное соединение меди и керамики) с изоляционным материалом Al2O3 или AIN. Изоляционный материал сочетает свойства диэлектрика и хорошей теплопроводности. Нижняя плоскость подложки также металлизирована и припаяна к медной базовой пластине модуля (SEMITRANS, SEMiX) или прижата непосредственно к теплоотводу (SKiM, SKiiP, MiniSKiiP, SEMITOP) с большой площадью теплового контакта. Контакт на передней стороне кристалла выполнен из тонких алюминиевых проводников, идущих к структурированным областям DCB, на которых подключение выполняется пайкой (SEMITRANS, SEMiX, SKiM, SEMITOP) или на основе прижимных контактов (SKiiP, MiniSKiiP).

Модули SEMiX, SKiM, SKiiP и MiniSKiiP содержат температурные датчики сопротивления с положительным или отрицательным температурным коэффициентом для измерения температуры теплоотвода; модули SKiiP дополнительно оснащены датчиками тока (компенсационные преобразователи).

В состав групп продукции MiniSKiiP и SEMITOP входят модули CIB, мостовые выпрямители и прочие топологии, в которых МОП и IGBT транзисторы сочетаются с диодами или тиристорами. Некоторые особенности силовых модулей SEMIKRON на основе транзисторов IGBT и МОП представлены ниже в таблице:

Базовая пластина Теплоотвод Контроль тока Контроль температуры Управление
SEMITRANS IGBT, SEMITRANS M
Есть Нет Нет Нет Нет
SEMiX
Есть Нет Нет Есть Опционально*
SKiM
Нет Нет Опционально* Есть Опционально*
SKiiP
Нет Есть Есть Есть Есть
MiniSKiiP
Нет Нет Нет Есть Нет
SEMITOP
Нет Нет Нет Нет Нет

* В разработке

Строение и основные особенности кристаллов IGBT, МОП-транзисторов и диодов

Кристаллы IGBT- и МОП-транзисторов, используемые компанией SEMIKRON, относятся к n-канальному улучшенному типу, т.е. они включаются положительным напряжением управления на затворе (положительное по отношению к потенциалу эмиттера или истока).

Каждый IGBT или МОП кристалл состоит из нескольких тысяч транзисторных ячеек, как показано в углу на рисунке 2. Для иллюстрации их функционирования также показано распределение носителя заряда в прямом включении.

Типичное устройство и функционирование одной ячейки и условные графические изображения
а) Силовой МОП-транзистор (SIPMOS планарная структура затвора)

Типичное устройство и функционирование одной ячейки и условные графические изображения
б) IGBT-транзистор (NPT стандартный кристалл с планарным затвором)
Рисунок 1. Типичное устройство и функционирование одной ячейки и условные графические изображения

SPT IGBT-транзисторIGBT-транзистор с пазовой структурой затвораМОП-транзистор с пазовой структурой затвора
Рисунок 2. Структура ячеек IGBT и МОП-транзисторов
а) SPT IGBT-транзистор
б) IGBT-транзистор с пазовой структурой затвора (trench)
в) МОП-транзистор с пазовой структурой затвора (trench)

В последних разработках силовых модулей SEMIKRON применены кристаллы IGBT-транзисторов, выполненные по планарной технологии SPT, или кристаллы МОП-транзисторов или IGBT-транзисторов с пазовой структурой затвора. На рисунке 2 показано строение данных кристаллов. Более подробная информация по специфическим особенностям компонентов можно найти в соответствующей документации или руководстве по применению "IGBT and MOSFET Power Modules Application Manual" ("IGBT и МОП-транзисторные силовые модули").

Вследствие своей структуры МОП-транзисторы проводят в обратном направлении. Но данные "инверсные диоды" (так их называют) обладают плохими динамическими характеристиками, что ограничивает возможность применения МОП-транзисторов в мостовых схемах, особенно при наличии высоких напряжений.

IGBT - элемент, непроводящий в обратном направлении. Поскольку обратное напряжение мало и обычно не требуется в стандартных схемах, то в состав IGBT-модулей SEMIKRON входят неуправляемые диоды, включенные антипараллельно IGBT-транзисторам.

Неуправляемые диоды, используемые в IGBT-модулях SEMIKRON, выполнены по специальной технологии CAL (управляемое время жизни носителей) или HD CAL. Данные быстродействующие, "суперплавные" планарные диоды характеризуются оптимальным аксиальным профилем времени существования носителей, который был достигнут за счет применения технологии с использованием ионов гелия и установки времени существования основного носителя.

Этим обеспечивается:

  • Малый максимальный обратный ток и, таким образом, снижается пусковая нагрузка IGBT-транзисторов в мостовых схемах.
  • "Плавность" увеличивает обратный ток в пределах всего рабочего температурного диапазона, за счет чего минимизируются импульсные выбросы и излучения.
  • Более надежная работа при коммутации с высокой скоростью нарастания тока di/dt до 15 кА/мс*см? по сравнению с другими типами диодов.
  • Возможность параллельного соединения, благодаря малому отрицательному температурному коэффициенту прямого напряжения.

По сравнению с CAL-диодами, новые HD CAL-диоды характеризуются пониженными прямыми напряжениями при незначительно повышенных потерях коммутации и практически том же температурном коэффициенте прямого напряжения.

Количественная информация по особенностям диодов содержится в документации на модули SEMIKRON.

Обратная и прямая характеристики

На рисунке 3 показана выходная характеристика МОП-транзисторов и IGBT-транзисторов. Силовые модули рассчитаны исключительно на работу в ключевом режиме, т.е. "активная" область (линейная работа) не должна использоваться для постоянной работы (например, в усилителях).

Выходные характеристики МОП-транзистора
Рисунок 3а. Выходные характеристики МОП-транзистора

Выходные характеристики IGBT-транзисторов
Рисунок 3б. Выходные характеристики IGBT-транзисторов

В прямом запираемом включении обратный ток Iси.нас (IDSS) или Iкэ.нас (ICES) увеличивается незначительно по мере увеличения обратного напряжения. Лавинный пробой возникает при превышении максимального длительного обратного напряжения Vси.нас (VDSS) или Vкэ.нас (VCES), приведенного в документации.

Различные особенности конструкции, которые разработаны для современных МОП-транзисторов, создают "лавинную стабильность", когда для каждого кристалла допустима индивидуальная лавинная энергия EA. Однако у мощных модулей некоторые кристаллы МОП-транзисторов, чьи запирающие напряжения могут несколько отличаться, часто соединяются параллельно. Это означает, что только гарантированное значение EA для одного кристалла может использоваться для всего модуля.

Напряжения пробоя МОП-транзисторов и IGBT-транзисторов увеличиваются с ростом температуры. Если силовые модули используются при очень низких окружающих температурах, то необходимо учесть, что значения Vси.нас (VDSS) или Vкэ.нас (VCES), приведенные в документации, соответствуют окружающей температуре 25°C.

В прямом включении МОП-транзисторы и IGBT-транзисторы имеют различные характеристики. МОП-транзистор ведет себя подобно обычному активному сопротивлению, т.е. напряжение сток-исток будет прямо пропорционально току стока (Iс). Коэффициент пропорциональности равен сопротивлению канала сток-исток в открытом состоянии Rси(вкл.) (RDS(on)), которое определяет потери проводимости Pпот (Pcond) в полном проводящем состоянии (мощность потерь Pпот = Iс2 * Rси(вкл.)).

Rси(вкл.) увеличивается с ростом температуры перехода Tпер (Tj) в соответствии со следующим выражением:

где a =0,6…0,9.

Для температуры Тпер=125°C значение сопротивления приблизительно удваивается относительно значения Rси(вкл.) (RDS(on)), приведенного в документации для температуры 25 °C. Характеристика IGBT в прямом включении и состоянии насыщения может быть представлена в виде линейной замещающей характеристики, аналогичной диодам: Vкэ.нас = Vкэ (T0) + rкэ * Iк.

Температурный коэффициент Vкэ(T0) и rкэ для кристаллов IGBT SEMIKRON - положительный. Это означает, что Vкэ.нас нарастает одновременно с ростом температуры. Данная особенность делает возможным параллельное соединение, которое обычно используется для кристаллов в силовых модулях. Этим также гарантируется безаварийность параллельного соединения модулей, а также высокая степень надежности работы в импульсном режиме модулей IGBT компании SEMIKRON.

Исходные данные для замещающей характеристики для каждого конкретного модуля приведены в документации (Vкэ(T0) и rкэ для температуры 25 °C и 125 °C).

Для большинства серий IGBT-модулей напряжение коллектор-эмиттер в режиме насыщения Vкэ.нас (VCEsat) и прямое падение напряжение на диоде Vпр (VF) приводятся в документации на уровне кристалла. Данные значения могут использоваться для определения соотношения потерь мощности IGBT-транзисторов и диодов. При повышенных токах также необходимо учитывать падение напряжения Iк*Rкк'+ээ' (IC * RCC'+EE') для определения общих потерь мощности в модуле, учитывая полное сопротивление клемм Rкк'+ээ' (RCC'+EE'), которое приводится в документации.

Импульсные характеристики

Значения временных характеристик для модулей SEMIKRON, приведенные в документации, всегда определяются с помощью стандартизованных измерительных схем. На рисунке 4 представлены осциллограммы тока и напряжений для МОП-транзисторов, где показаны временные характеристики. Аналогичные осциллограммы для IGBT-транзисторов представлены на рисунках 6 и 7.

Используются следующие временные характеристики:

tзад.вкл.(td(on)) - длительность задержки включения;
tзад.выкл. (td(off)) - длительность задержки выключения;
tн (tr) - время нарастания;
tс (tf) - время спада;
tвкл.(ton) = tзад.вкл. + tн - длительность включения;
tвыкл. (toff) = tзад.выкл. + tс - длительность выключения.

Данные характеристики приводятся с указанием следующих параметров: напряжение питания (VDD или VCC), напряжение управления VGG, ток стока Iс (ID) или ток коллектора Iк (Ic), сопротивление затвора Rз (RG) и температура корпуса Tcase или температура кристалла Tj.

Схема для измерения временных характеристик силовых МОП-транзисторов
Рисунок 4а. Схема для измерения временных характеристик силовых МОП-транзисторов

Типичная характеристика напряжения затвор-исток
Рисунок 4б. Типичная характеристика напряжения затвор-исток Vзи и напряжения сток-исток Vси с указанием времен включения/выключения IGBT-транзистора

Как показано на рисунке 4 временные характеристики, приводимые в документации на МОП-транзисторы, определяются для омической нагрузки с привязкой к изменению во времени напряжения затвор-исток в процессе включения/выключения. На практике характеристики тока и напряжения могут существенно отличаться от приводимых здесь данных, в частности для активно-индуктивной нагрузки.

Временные характеристики IGBT-транзисторов, с другой стороны, определяются более реалистичным способом с активно-индуктивной нагрузкой (рисунок 5). В отличие от МОП-транзисторов, IGBT-транзисторы включаются положительным напряжением управления Vген1 через сопротивление затвора R2 и выключаются с помощью отрицательного напряжения Vген2 через сопротивление затвора R3.

Дополнительные временные характеристики, соответствующие будущим стандартам, (см. рисунок 6 и 7) используются для однозначного определения пределов интегрирования для вычисления потерь коммутации Eвкл (Eon, потери энергии включения) и Eвыкл (Eoff, потери энергии выключения).

Этим выражением учитываются временные компоненты и компоненты потерь, которые не могут быть однозначно описаны временем переключения (например, характеристика хвостового тока для IGBT).

Схема измерения для определения времен переключения IGBT
Рисунок 5. Схема измерения для определения времен переключения IGBT

Рисунки 6 и 7 иллюстрируют определения времен переключения на основе типичных характеристик тока и напряжения.

Типичные характеристики напряжения затвор-эмиттер  Vзэ (VGE), коллектор-эмиттер Vкэ (VCE)  и тока коллектора Iк (Iс) IGBT-транзистора в процессе включения с указанием времен переключения
Рисунок 6. Типичные характеристики напряжения затвор-эмиттер Vзэ (VGE), коллектор-эмиттер Vкэ (VCE) и тока коллектора Iк (Iс) IGBT-транзистора в процессе включения с указанием времен переключения

Типичные характеристики напряжения затвор-эмиттер  Vзэ (VGE), коллектор-эмиттер Vкэ (VCE)  и тока коллектора Iк (Iс) IGBT-транзистора в процессе выключения с указанием времен переключения
Рисунок 7. Типичные характеристики напряжения затвор-эмиттер Vзэ (VGE), коллектор-эмиттер Vкэ (VCE) и тока коллектора Iк (Iс) IGBT-транзистора в процессе выключения с указанием времен переключения

Потери энергии при переключении Евкл (Eon) и Евыкл (Eoff), которые приводятся в документации вместе с временными характеристиками, определяются путем интегрирования произведения тока коллектора (стока) на напряжение коллектор-эмиттер (сток-исток) в течение общего времени переключения. Потери переключения определены для всех IGBT-модулей производства SEMIKRON с учетом, как потерь при включении, вызванных обратным током свободного диода у IGBT, так и потерь при выключении, когда образуется хвостовой ток коллектора.

Динамические характеристики встроенного свободного диода (IRRM - обратный максимальный ток; Qrr - восстановительный заряд; Err - потери энергии при выключении с параметрами VCC, iF, diF/dt, VGG , RG, Tj) также определяются с помощью измерительных схем, приведенных на рисунках 4 и 5.

Коммутационная способность, надежность, диапазоны областей безопасной работы

При тяжелой коммутации индуктивных нагрузок транзисторы должны работать при практически прямоугольной рабочей кривой i = f (u), которая показывает зависимость между рабочим напряжением и током нагрузки (см. разделы 1.2.3 и 2.3.3 "Руководства по применению силовых IGBT и MOSFET-модулей").

Область безопасной работы (ОБР) определяет границы интервала надежной работы транзистора в пределах заданных условий перегрузки. Используется несколько видов диаграмм ОБР:

  • ОБР для одноимпульсного режима работы с указанием параметров tp - длительность импульса; Tc = 25 °C; Tj Tjmax и периодически включением;
  • ОБР с обратным смещением для периодических выключений с Tj Tjmax и заданном Vзэ (VGE);
  • ОБР при коротком замыкании для непериодического выключения тока короткого замыкания при Tj Tjmax и заданной длительности тока короткого замыкания tsc, индуктивности схемы L и напряжения затвор-эмиттер VЗЭ (VGE) = ± 15В; число коротких замыканий ограничено, например, 1000 шт. с интервалами между замыканиями > 1 сек.

На рисунке 8 показаны примеры различных диаграмм ОБР.

Одноимпульсная ОБР на уровне кристалла
Рисунок 8а. Одноимпульсная ОБР на уровне кристалла

ОБР с обратным смещением
Рисунок 8б. ОБР с обратным смещением

ОБР при коротком замыкании
Рисунок 8с. ОБР при коротком замыкании

Границы ОБР следующие:

  • Граница по горизонтали - максимальный ток коллектора (стока)
  • Граница по вертикали - максимальное напряжение коллектор-эмиттер (сток-исток).
  • Граница по диагонали для одноимпульсной ОБР - максимальная мощность потерь или температура кристалла

Линейная работа силовых МОП-транзисторных и IGBT-модулей является недопустимой, несмотря на то, что из границ ОБР не следует такого исключения. При разработке модулей учитывалась их работа исключительно в качестве коммутационных элементов.

Исторически сложилось, что чаще всего для силовых МОП-транзисторных модулей приводятся только диаграммы ОБР для одноимпульсной работы при различных длительностях импульсов.

Для IGBT-модулей приводятся ОБР с обратным смещением и во многих случаях даже ОБР при коротком замыкании.

Вся информация по диапазонам ОБР применима на уровне кристалла. Это означает что, например, максимальное длительное напряжение VCES, заданное на ОБР с обратным смещением, должно быть пересчитано до уровня выводов модуля с учетом внутренней индуктивности модуля. По этому значению определяется максимальный ток выключения, зависящий от всех паразитных индуктивностей в схеме нагрузки и условий управления для конкретной топологии при заданном рабочем напряжении.

Для IGBT-модулей отношение максимального тока коллектора Iк.имп. (Icpuls) на ОБР с обратным смещением (вертикальная граница) к номинальному току коллектору Iк (Iс) (см. документацию) зависит от технологии изготовления кристалла и класса модуля по Iк.ном. (Icnom).

Для IGBT-кристаллов SEMIKRON значение Iк.имп./ Iк.ном. (Icpuls / Icnom) = 2.

Подробности относительно ОБР при коротком замыкании могут быть найдены в разделе 3.6.2. руководства по применению.

Технология кристалла IGBT и область их применения

Использование различных типов кристаллов в IGBT-модулях SEMITRANS, SEMiX, SKiM, MiniSKiiP, SKiiP и SEMITOP приводит к появлению различий в особенностях модулей (см. таблицу ниже):

600В
Технология изготовления кристалла IGBT NPT
SEMITRANS ...063D, ...066D
SEMiX 066
SKiM -
MiniSKiiP ...063*..., ...065..., ...066...
SEMITOP ...063..., ...065...
Напряжение коллектор-эмиттер в насыщении VCEsat при 25°C 2,1В, 1,45В
Eon + Eoff при 125° C/100 A 9 мДж, 7 мДж
QG при VGE -8/+15В/100A 350 нКл, 900 нКл


1200В
Технология кристалла IGBT NPT Low loss NPT Ultra-fast NPT FS Trench SPT
SEMITRANS ...123D ...124D ...125D ...126D ...128D
SEMiX - - - ...126HD ...128D
SKiM - - - ...126D ...128D
MiniSKiiP ...12*... - - ...126... -
SKiiP ...120... - - ...123... ...122...
SEMITOP ...123 - - ...126 -
VCEsat/25°C 2.5В 2.1В 3.3В 1.7В 2.0В
Eon + Eoff при 125°C/100A 28 мДж 27 мДж 15 мДж 25 мДж 21 мДж
QG при VGE -8/+15В/100A 850 нКл 850 нКл 1000 нКл 700 нКл 1000 нКл


1700В
Технология кристалла IGBT NPT Low loss NPT* FS Trench
SEMITRANS ...173D ...174D ...176D
SEMiX - - 176HD
SKiM - - 176D
SKiiP ...170... - ...172...
VCE/25 °C 3.4В 2.6В 2.0В
Eon + Eoff/125°C/100A 90 мДж 110 мДж 100 мДж
QG при VGE = -8/+15В/100A 1050 нКл 800 нКл 600 нКл

* Данный тип не рекомендуется использовать в новых разработках.

За счет отличий в особенностях модулей они могут использоваться в различных рекомендованных сферах применения.

Ниже приведены рекомендуемые частоты переключений различных модулей семейства SEMITRANS на напряжение 1200В и 1700В, используемых в преобразователях (тяжелая коммутация):



  2470 kB Eng Исходный файл





 
Впервые? | Реклама на сайте | О проекте | Карта портала
тел. редакции: +7 (495) 514 4110. e-mail:info@eust.ru
©1998-2016 ООО Рынок Микроэлектроники