Особенности технологии и преимущества по отношению к предыдущим поколениям IGBT

Основные отличия в характеристиках транзисторов нового и предыдущих поколений обусловлены особенностями строения кристалла. Новые IGBT шестого поколения относятся к типу DS (Depletion Stop) Trench IGBT. Кристалл такого транзистора содержит вертикально расположенный затвор и слой, блокирующий носители (depletion stop) (рис. 1).

Рис. 1. Эволюция кристалла IGBT

Лучшие тепловые характеристики транзисторов этого типа достигаются за счет минимальной толщины (70 мкм) пластин. Благодаря применению технологии trench, затвор расположен вертикально, что способствует существенному снижению площади ячейки. У транзисторов шестого поколения площадь ячейки меньше по сравнению с предыдущими поколениями на 40%. Благодаря этому кристалл становится более компактным или существенно возрастает ток транзистора (до 60%) 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 с аналогами других производителей, но отличаются от них тем, что обладают более высокой комплексной эффективностью. А благодаря самому низкому уровню потерь всех видов, Trench IGBT занимают первое место и среди IGBT, производимых компанией.

Самое низкое падение на транзисторе в открытом состоянии позволяет рекомендовать их в качестве наиболее эффективных приборов 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 по потерям на переключение и по их суммарной мощности. Trench IGBT 6-го поколения производства IR разрабатывались так, чтобы все составляющие потерь на переключение были лучше, чем у предшественников. Энергия включения у них до 25% ниже, чем у PT IGBT поколения 4 и NPT IGBT поколения 5 во всем диапазоне токов коллектора. Основная доля в балансе потерь на переключение, благодаря наличию так называемого «хвоста», приходится на процесс выключения IGBT. У новых Trench IGBT путем уменьшения длины «хвоста» удалось сделать траекторию переключения более плавной, чем у NPT IGBT. Благодаря этому энергия выключения стала ниже на 10...20%, чем у NPT IGBT. Благодаря перечисленным преимуществам, а также более низкому заряду затвора (потери на управление), с появлением новых Trench IGBT отпала необходимость применять широкую номенклатуру транзисторов различных частотных диапазонов, оптимизированных для узкоспециализированных задач. То есть новые транзисторы являются универсальным средством решения широкого круга проблем.

Жесткие современные ограничения мощности 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 помех определяется плавностью изменения тока в режиме выключения на хвостовом участке.

Благодаря более компактным размерам ячейки и пониженным потерям, нагрузочная способность по току для кристалла с площадью, равной площади кристалла с планарным затвором, может повышаться до 60%. Более высокая токовая отдача Trench IGBT позволяет помещать кристаллы в компактные и менее дорогие корпуса транзисторов.

По устойчивости к ложному переключению Trench IGBT 6-го поколения занимают промежуточное положение между PT IGBT и NPT IGBT. 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 уступает PT IGBT (10...15 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).

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

Все Trench IGBT способны выдерживать режим короткого замыкания до 5 мкс. Они нормируются на устойчивость к короткому замыканию в течение 5 мкс при отношении тока короткого замыкания к номинальному току, равном четырем. У NPT IGBT и PT IGBT это отношение составляет десять.

Для разработчиков преобразовательной техники наибольший интерес представляет то, как все перечисленные преимущества реализуются в росте эффективности инвертора.

Структура потерь мощности инвертора, используемого в электроприводе (рис. 3), указывает на то, что c Trench IGBT могут конкурировать «быстрые» IGBT четвертого поколения, но только на стандартной промышленной частоте ШИМ 4 кГц и ниже, и только по потерям на проводимость. При этом они проигрывают по балансу потерь мощности за счет более высоких потерь на переключение.

Рис. 3. Сравнение структуры потерь мощности инвертора при различных частотах ШИМ

Номенклатура Trench IGBT IR и рекомендации по замене транзисторов предыдущих поколений

Семейство DS Trench IGBT производства IR (поколения 6) поставляется в настоящее время в виде кристаллов и в стандартных корпусах. Характеристики транзисторов специфицированы при температурах кристалла вплоть до 175°С. 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 4...6,5 В. Все транзисторы выпускаются в бессвинцовом исполнении. Краткие технические характеристики устройств даны в таблице 1.

Таблица 1. Номенклатура Trench IGBT поколения 6 

Trench IGBT 6 поколения, как и NPT IGBT, имеют прямоугольную зону безопасной работы. Антипараллельный сверхбыстрый 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). Почти все перечисленные в таблице транзисторы универсальны. Они являются эффективной альтернативой в электроприводе и источниках питания как приборам NPT IGBT, так и приборам PT IGBT любого частотного диапазона - от низкочастотных до WARP. Характеристики транзисторов IRGP4068DPBF и IRGP4068D-EPBF оптимизированы для применения в резонансных источниках питания устройств индукционного нагрева (промышленных и бытовых). Возможные варианты замен транзисторов предыдущих поколений представлены в таблице 2.

Таблица 2. Возможные замены PT IGBT, NPT IGBT на Trench IGBT

Таблица 3. Возможные замены PT IGBT, NPT IGBT на Trench IGBT

Сравнение Trench IGBT IR с аналогами других производителей

При проектировании нового поколения транзисторов компанией IR был учтен опыт других производителей с целью создания конкурентоспособной продукции.

По потерям на проводимость (пропорциональным Vce(on)) транзисторы IR уступают Infineon на 10-15%, но превосходят транзисторы Toshiba почти на 50% (рис. 4).

Рис. 4. Сравнение падения напряжения насыщения IGBT различных производителей

Что касается динамических потерь, то за счет большего времени задержки при включении Td и времени нарастания при включении Tr у транзисторов IR потери мощности на включение Eon примерно на 15% выше, чем у транзисторов Infineon. Однако транзистор IR имеет в 2,3 раза более короткое время задержки при выключении Tdoff и на 50% более короткий «хвост» Tf, вследствие чего потери на выключение Eoff на 37% ниже. Поэтому полные потери на переключение Ets у транзисторов IR примерно на 10% ниже, чем у Infineon. По отношению к транзисторам Toshiba транзистор IR имеет преимущество как по всем составляющим потерь на переключение, так и по суммарной мощности потерь (до 30%).

Импульсный ток транзисторов Infineon ниже, чем у IR (кратность 3 и 4 соответственно).

Еще одной немаловажной характеристикой транзистора являются параметры затвора. От них зависят и мощность потерь на управление транзистором (стоимость реализации драйвера затвора), и опасность паразитного включения (усложнение схемы драйвера и повышение его стоимости). Результаты сравнения этих параметров приведены в таблице 4.

Таблица 4. Сравнение параметров затвора Trench IGBT

Транзисторы IR имеют вдвое более низкую мощность управления, отношение заряда «затвор-исток» Qgs к заряду «затвор-сток» Qgd у них несоизмеримо выше. Со снижением этого отношения вероятность паразитного включения (возможного отказа схемы) возрастает. Таким образом, транзисторы IR являются эффективной заменой продукции Toshiba во всех типах приложений, а транзисторы Infineon они могут заменить в приложениях, где важен, в первую очередь, полный баланс потерь или уровень потерь на переключение. 

PDP Trench IGBT IR

Транзисторы этого типа оптимизированы для применения в устройствах управления плазменными панелями. В силу особенностей плазменных панелей, представляющих собой с точки зрения управления емкостную нагрузку, ключевые приборы для таких устройств должны быстро включаться, обеспечивать высокие импульсные токи и иметь низкое падение напряжения в открытом состоянии. Они могут быть нормированы на напряжение не выше 300 В. Номенклатура этого семейства IGBT представлена в таблице 5.

Таблица 5. Номенклатура PDP Trench IGBT

Параметр Vce(on) в таблице представлен для максимального тока коллектора. В справочных листах он приведен для различных токов, и величина Vce(on) может быть существенно ниже. Особенностью работы PDP IGBT объясняется появление в таблице и справочных листах специфических параметров Epulse и Irp.

Epulse характеризует энергию импульса тока, суммирующую потери проводимости и потери на включение. В справочных листах приведена ее зависимость от пикового тока коллектора. Умножив ее на количество импульсов в секунду, можно вычислить мощность, рассеиваемую в ключе. Например, у транзистора IRGB4055PBF энергия Epulse равна 380 мкДж при токе 160 А. При частоте 10000 импульсов в секунду потери мощности на транзисторе составят 3,8 Вт. PDP IGBT оптимизированы так, что Epulse у них минимальна (в первую очередь благодаря очень низкому Vce(on)). Другой важной особеностью оптимизированных транзисторов является возможность обеспечивать высокие повторяющиеся пиковые токи коллектора (параметр Irp). Для этого в справочные листы введена зависимость Irp от температуры корпуса. И, наконец, важной особенностью новых транзисторов является их устойчивость к паразитному включению, что обеспечивает низкую вероятность сквозных токов в стойке. Хотя транзисторы этого семейства оптимизированы для применения в плазменных панелях, но благодаря низким потерям проводимости и высоким импульсным токам они могут быть использованы в различных преобразовательных устройствах (источниках питания, электроприводе и т.д.).