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

1 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 2 Содержание Введение Основные свойства IGBT Т4 Динамические характеристики Рекомендации по применению Параллельное соединение Заключение

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

4 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 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 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 7 Содержание Introduction Основные свойства IGBT4 Switching behaviour Application hints Parallel connection Conclusion

8 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 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 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 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 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 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 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 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 16 Содержание Introduction Properties of IGBT4 Динамические характеристики Application hints Parallel connection Conclusion

17 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 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 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 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 21 Выключение IGBT Паразитные элементы цепи коммутации: dVmin минимизация L Sint + L Sext Примечание: 380VAC +10% 590VDC. Анализируется наихудший случай Vdc 600B

22 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 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 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 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 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

27 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 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 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 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 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 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 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 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 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 36 Измерение и ограничение dV: см. AN-7006 См. статью «Снабберы и перенапряжения» из журнала Компоненты и ТехнологииСнабберы и перенапряжения

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

38 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 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 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 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 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 43 Содержание Introduction Improvements on IGBT4 Switching behaviour Application hints Параллельное соединение Conclusion

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

45 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 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 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 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 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 50 Содержание Introduction Improvements on IGBT4 Switching behaviour Application hints Parallel connection Заключение

51 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 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 53 Пример: SPT / T4 в одинаковых условиях эксплуатации

54 54 Пример: SPT / Е4 в одинаковых условиях эксплуатации

55 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 56 Спасибо за внимание! Официальный представитель SEMIKRON в Украине