Новое поколение модулей Trench 4 IGBT Новое поколение модулей Trench 4 IGBT Стратегия замены SPT IGBT (128 серия) Arendt Wintrich, Андрей Колпаков SEMIKRON 2009

2 Содержание Введение Основные свойства IGBT Т4 Динамические характеристики Рекомендации по применению Параллельное соединение Заключение

3 История Эволюция IGBT технологий Увеличение плотности тока 85 A/см² … 130 A/мм²

4 От 2 к 4 поколению IGBT – рабочей лошади силовой электроники Ломовая лошадь для перевозки пива Скаковой жеребец Медленный и прожорливый; Надежный; «Права» не требуются: Дорогу находит сам Длинный «хвост» Быстрый, ест гораздо меньше; Чувствительный; Не прощает ошибок в управлении; Короткий «хвост» NPT 3,1В; 125°C 100% удельная мощность Trench4 1,8В; 125°C 135% удельная мощность

5 1 st поколение 12 - TК Vce(sat) Эпитаксиальная технология Длинный «хвост» 2 nd поколение 123, 124, ТК Vce(sat) NPT гомогенная технология Существенно сокращен «хвост» n+ n- Collector GateEmitter p+ p n (3 rd + 4 th поколение) 126, 12T4 + ТК Vce(sat) Trench Field Stop Практически подавлен «хвост» n- Collector GateEmitter p+ p n n+ n- Collector Gate Emitter p+ n+ p PT NPT Trench IGBT технологии – основные этапы

6 n- Collector GateEmitter p+ p n x E Буферный слой n + обеспечивает аналогичную NPT блокирующую способность при более тонком слое кремния. IGBT4 – тонкопленочная технология Уменьшены потери проводимости и переключения x E n+ n- Collector GateEmitter p+ p n NPT SPT и Trench Field Stop IGBT технологии – блокирующая способность

7 Содержание Introduction Основные свойства IGBT4 Switching behaviour Application hints Parallel connection Conclusion

8 Технологии IGBT – сравнительные характеристики Основные преимущества IGBT T4 Плотность тока повышена с 85 A/см до 130 A/см² Снижены потери переключения (E on + E off ) Снижен заряд затвора (Q G ) Увеличена предельная температура чипов до 175°C SPT (128)IGBT3 (126)IGBT4 (12T4) V CE(sat) 25°C1,9 В1,7 В1,8 В V CE(sat) 125°C2,1 В2,0 В2,1 В E sw 125°C22 мДж27мДж19 мДж (125°C) 21 мДж (150°C) Q G (V GE = -8V/+15V) 1,2 мкКл0,9 мкКл0,57 мкКл

9 Увеличение T jmax для IGBT4 Предельная температура кристалла Т4: T j,max = 175 °C надежность при высокой температуре обеспечивается без уменьшения срока службы T j max = 150 °C T j max = 175 °C Рекомендация Semikron по номинальному режиму (SemiSel): max. 150°C Ограничение вызвано следующими факторами: T jmax – среднее значение. Макс. значение T (v)j в центре чипа – локальный стресс Не учитываются потери за счет тока утечки Ограничение ОБР (SCSOA) - 150°С

10 Повышение стойкости к термоциклированию Новые технологии пайки и ультразвуковой сварки Повышенная надежность при большем градиенте Адаптация графиков LESIT для следующих условий: T=125K, 40°C 165°C, T m =102,5°C : циклов (PI 24/08) New 90° Old 90°

11 Интегрированные резисторы затвора Одиночные кристаллы 75A chip:R G int = 10 Ω 100 A chip:R G int = 7.5 Ω 150 A chip: R G int = 5.0 Ω Параллельные кристаллы (в IGBT модулях) 300A = 2 x 150 A chip = 5.0 Ω / 2: R G int = 2.5 Ω 400A = 4 x 100 A chip = 7.5 Ω / 4: R G int = 1.87 Ω R G int R G on R G off

12 Резисторы затвора В datasheet все значения независимые R G int (общее значение для параллельных чипов IGBTs) R G on, R G off (условия измерения – внешние резисторы) SKM 400GB12T4 R G on, R G off - при расчетах д.б. суммарными величинами, включающими внешние и внутренние R Gint сопротивления

13 Стойкость IGBT Т4 к КЗ «жесткого» типа Условия измерений (одновременное включение IGBT) T j = 150 °C V CC = 600 В V CE,M = 960 В I C,M = 1265 A R G off = 1,5 Ω t pulse = 10 мкс I C nom = 300 A Графики I C P V - V CE Limited to 1200 A

14 Стойкость IGBT Т4 к КЗ «полумягкого» типа Условия измерений (КЗ одного IGBT на кабель 1м 1мкГн) T j = 150 °C V CC = 900 V V CE,M = 1160 V I C,M = 1715 A R G off = 15 Ω t pulse = 10 µs I C nom = 300 A Графики V GE I C V CE P V Limited to 1200 A SKM 300GB12T4 Ограничения SCSOA: V CC T j =150°C

15 Стойкость IGBT Т4 к КЗ: модули MiniSKiiP Рекомендации для режима STO: R Goff-SC = 20 R Gnom = 1 I SC(max) = 700A V CE(max) = 1100V 5 xI Cnom = 500A

16 Содержание Introduction Properties of IGBT4 Динамические характеристики Application hints Parallel connection Conclusion

17 Динамические характеристики = f(конструкция модуля) Одиночный кристалл мультичиповый модуль Индуктивность выводов L CE Симметричность подключения терминалов Токовый диапазон 15A A 3 типа Trench 4 кристаллов: Fast T4, E4, H4 для различных условий применения и конструктивов Поведение модулей IGBT в различных конструктивах различно!

18 Динамические характеристики IGBT T4 Потери выключения уменьшены на 25% (пример: 19 мДж/100A для SKM300GB12T4) Рекомендуется снижение R Gon ( см. data sheet) для оптимизации E on и di/dt E off почти не зависит от R Goff ! Снижение di/dt (V CE(peak) ) начинается только при больших значениях R Goff (> 20 Ом) R G(nom) R G - Внешний резистор затвора

19 Сравнительные характеристики по E sw при R G(nom) Среднее значение: 21мДж/100A при 150°C У версии Е4 потери Eoff больше, чем у T4

20 T4/E4 чипы: потери переключения E4 T4 Esw при 600В / 300A /150°C Пример для SKiM 306GD12Т/Е4 T4: E on+off = 16 мДж/100A E4: E on+off = 19 мДж/100A Вкл. T4: ном. режимы Выкл. T4: ном. режимы

21 Выключение IGBT Паразитные элементы цепи коммутации: dVmin минимизация L Sint + L Sext Примечание: 380VAC +10% 590VDC. Анализируется наихудший случай Vdc 600B

22 dV = Ls*di/dt. Для повышения стойкости к КЗ уменьшение Ls обязательно! Симметричные токовые пути для всех параллельных чипов Копланарная конструкция DC-терминалов Возможна работа при 2x I Cnom и напряжении 800В SEMITRANS: низкоиндуктивная конструкция DC выводов

23 Cимметричные пути коммутации + и – токов чипов, параллельный многоточечный доступ к чипам Отличные динамические характеристики Минимальный уровень осцилляций, безопасное отключение тока КЗ SKiM: сверх низкоиндуктивная конструкция

24 Перенапряжения: влияние R Goff (12T4) R Goff = В R Goff = 5,1 1137В R Goff = 7,5 1177В V CC = 600В 25°C Без снаббера! Пример для SKiM306GD12T4 использование версии E4 снижает dV на 250V peak Для Т4 величина dV растет с увеличением R G !

25 Перенапряжение: влияние R G (12T4, MiniSKiiP) Оптимальное значение R G (V CEpeak min.) зависит от типа модуля T4 / 100A MiniSKiiP: снижение dV при R G > 75 (= 9*R G(nom) ), E off при R G 5 (=3*R G(nom) ) Рекомендованное значение R Goff для режима STO = 20 ! MiniSKiiP 38AC12T4

26 Перенапряжение: влияние температуры кристалла Tj Условия V CC = 600 В I C = 800 A I C nom = 400 A R G nom Уровень dV падает с ростом температуры кристалла 25°C 150°C

I C / A dV CE / V VDC=800В VDC=500В Peak voltage dV above DC-Link voltage Level dV=320V dV=230V Перенапряжение: влияние напряжения DC-шины (12T4) 2Q инвертор с выпрямителем B6U: V CC =540V нет проблем 4Q инвертор с выпрямителем B6CI: V CC =750…800V требуется принятие специальных мер для ограничения dV Пример: SEMiX453GB12T4 при 25°C, 16мкГн нагрузка, 0,47мкФ снаббер dV увеличивается с ростом Vdc

28 dV увеличивается с ростом Vdc V CC = 500В: Turn off: I C = 500A, V CEpeak = 780В dV=280В V CC = 800В Turn off: I C = 500A, V_peak = 1196В dV=400В Пример SEMiX453GB12T4 при 25°C I C = 500A V CEpeak = 780В V CEpeak = 1196В

29 Перенапряжение: влияние длительности импульса проводимости tp Короткие импульсы при большом коэффициенте модуляции рекомендация: tp > 3…5мкс Макс. ток выключения V DC =800В, V CEmax =1200В t p / мкс I C, A Пример: SEMiX453GB12T4SEMiX453GB12T4

30 Перенапряжение: влияние типа кристалла (T4 / E4) Условия V CC = 600 В I C = 800 A I C nom = 400 A R G nom E4 чип: существенное снижение перенапряжения При V CC 800V необходимо применение С-снаббера во всех случаях T4 E4

31 SEMiX: динамические режимы Высокая индуктивность (большая длина петли) Асимметрия (разная длина петли) Большое значение тока и di/dt Быстрый Медленный Влияние внутренней топологии SEMiX на динамические характеристики сильнее, чем у стандартных компонентов Пример: SEMiX 453GB12T4

32 Сравнение Т4/Е4 : V off(max) для 450A-SEMiX 25°C E4-чип и большее значение R Goff : RBSOA - выключение тока КЗ (защита DESAT) возможна при наличии снаббера

33 Режим STO: сравнение Т4/Е4 (450A-SEMiX 150°C) T4 E4 H4 Режим STO для чипа H4: E off = 100 мДж (Datasheet: 12T4 E off = 50мДж) 2 x I Cnom Зависимость I Cmax от R Goff при V CE(peak) =1200В (Vdc = 800B, Tj = 150 C)

34 Режим STO: сравнение Т4/Е4 (450A-SEMiX 25°C) Зависимость I Cmax от R Goff при V CE(peak) =1200В (Vdc = 800B, Tj = 25 C) T4 E4 H4 При R goff(nom) и 800Vdc максимальный ток I off = 1,33 x I Cnom 2x I Cnom

35 Режим STO: температурная зависимость I off(max) E °C E4 – 25°C Чтобы обеспечить I off = 3 x I Cnom =1350A (защита ОСР / внешняя цепь КЗ) R Goff = 6…8 E off увеличивается от 50мДж (при 1,9 ) до 70мДж Зависимость I Cmax от R Goff при V CE(peak) =1200В (Vdc = 800 B)

36 Измерение и ограничение dV: см. AN-7006 См. статью «Снабберы и перенапряжения» из журнала Компоненты и ТехнологииСнабберы и перенапряжения

37 Содержание Introduction Improvements on IGBT4 Switching behaviour Руководство по применению Parallel connection Conclusion

38 ICIC V cc V_peak ICIC V cc V_peak Использование снабберов DC-шины Без снаббера: Выключение: I C = 1800 A, V cc = 500 В, V_peak = 1170 В dV = 670В Снаббер: Выключение: I C = 1700 A, V cc =500 В, V_peak = 1010 В dV = 510В DC-снаббер рекомендован для применений средней и большой мощности (> 50 кВт) и при параллельном соединении IGBT

39 Драйвер R Gon R Goff R Goff, SC Режим STO V GG- Режим STO обеспечивается дополнительным сопротивлением R Goff, SC в цепи затвора R Goff, SC 10 x R G off nom В нормальном режиме используется R Goff Проблемы: мониторинг состояния перегрузки, потери мощности Плавное отключение – STO / SSD Альтернатива: промежуточная ступенька управления Vge=0 Использование режима IntellOff (SKYPER 52)

40 Активное ограничение Обеспечивается с помощью супрессоров 3 x 350В (=1050В). V CE ограничивается на безопасном уровне. Требуются элементы с низким разбросом параметров с учетом температурной зависимости напряжения ограничения Ограничение не должно включаться при нормальной работе Дополнительное рассеяние мощности IGBT Дополнительное рассеяние стабилитронов Для компенсации «противо» тока на выходе драйвера требуется C GE

41 Активное ограничение I=10A Без ограничения: Выключение: I C =1800A, V cc =800В, V peak = 1295В (200В/дел) Ограничение: Выключение: I C =1800A, V cc =800В, V peak = 1213В (150В/дел) Выход драйвера: I peak =10A

42 Использование C GE Внешняя емкость «затвор-эмиттер» Малое влияние на dV, Снижение уровня шумов (EMI) Semix453GB12E4 R G =6, I C =600A, Без емкости Cge V CEmax =1108В С емкостью Cge V CEmax =1084В C GE

43 Содержание Introduction Improvements on IGBT4 Switching behaviour Application hints Параллельное соединение Conclusion

44 Параллельная работа IGBT Параллельная работа без проблем на малой скорости Требуется тонкая настройка динамики

45 IGBT в параллель Индивидуальные резисторы затвора (для чипов и модулей) Дополнительные резисторы в эмиттерах Ограничение напряжения на затворе Активное ограничение для режима КЗ

46 SEMiX – параллельная работа с платой адаптера Modul n+1 Modul n Номиналы: R Gx 4…8 R Gon,main 0…1 R Ex 0.5 D Ex 100 В, 1A, Шоттки R Gon и R Goff расчет по формуле: Адаптер n Адаптер n+1 R Gx R Gon,main R Ex D Ex

47 Параллельная работа IGBT Пример 6 x SEMiX453GB12E4 // I Cnom = 2700A (6*450А) возможно ли выключение при токе 5400A? Выравнивание токов? R G min? Схема проверки: 6 x SEMiX453GB12E4 // Плата адаптера

48 Параллельная работа IGBT - результаты Одинаковые проблемы и решения для всех поколений IGBT Низкоиндуктивный дизайн DC-шины, Симметричное подключение DC-шин, AC терминалов, входов управления Индивидуальные резисторы Rg, Re Разница в токах выключения I Coff из-за центрального положения главного AC- отвода и разброса параметров IGBT (max. 19%, min 13,8% среднее - 16,66% от I tot )

49 Параллельная работа IGBT - результаты Выключение при I Coff = 5400A (6*2*I nom ) Vdc = 800B R Goff = 4 V CE(max) = 1200B RBSOA

50 Содержание Introduction Improvements on IGBT4 Switching behaviour Application hints Parallel connection Заключение

51 Замена предыдущих поколений IGBT Повышение плотности тока и максимального тока во всем диапазоне частот (на некоторых частотах модули Т4/Е4 превосходят Т3 большего типоразмера!) Цепь управления затвором должна быть адаптирована для Т4/Е4

52 Заключение Основные преимущества IGBT4 Повышение плотности тока до 130 A/см² Снижение потерь проводимости (V CE(sat) ) Снижение потерь переключения (E on + E off ) Снижение заряда затвора м мощности драйвера (Q G ) Повышение рабочей температуры T j,max = 175 °C Динамические характеристики Сопротивления затвора R Gon/off должны быть изменены; уменьшение Esw и di/dt достигается при меньшем R Gon, адаптация R Goff необходима для снижения коммутационных выбросов Рекомендуется режим STO / SSD (увеличение R Goff ) защиты от КЗ

53 Пример: SPT / T4 в одинаковых условиях эксплуатации

54 Пример: SPT / Е4 в одинаковых условиях эксплуатации

55 T4 / Е4 – критерии выбора Не существует жестких ограничений при выборе версии T4 или E4 При низком напряжении на DC-шине (например 540VDC при питании от промышленной сети 380VAC) IGBT T4 надежно работает во всем диапазоне токов, включая ток КЗ; В применениях с высокой частотой коммутации Fsw > 5…7 кГц (сварка, инд. Нагрев…) IGBT T4 имеют преимущество за счет меньшей энергии потерь Esw; В применениях с повышенным значением напряжения питания Vdc = 600…800 В (4Q привода, привода с ККМ) IGBT Е4 обеспечивают безопасный режим работы за счет меньшей скорости переключения di/dt; В сильноточных схемах при использовании параллельного соединения IGBT версия Е4 обеспечивает лучшее выравнивание динамических токов; Модули SEMiX более критичны к динамическим характеристикам кристаллов, чем стандартные модули SEMITRANS из-за большей внутренней индуктивности L Sint. Поэтому принято решение выпускать 4 поколение SEMiX только в версии Е4. Производство SEMiX с чипами Т4 возможно по требованию заказчика.

56 Спасибо за внимание! Официальный представитель SEMIKRON в Украине