1200V SiC хибридни IGBT модули за високочестотни приложения

1200V SiC IGBT модули за високочестотни приложения

През последните години на пазара бяха въведени специални IGBT модули за работа с висока честота на превключване. Типични приложения включват рентгенови генератори, CT скенери, индукционни нагреватели, заваръчни машини, плазмено рязане или инвертори за изолирано или безконтактно преобразуване на енергия.

Автор: Екхард Тал, Mitsubishi Electric Europe B.V., Ратинген, Германия

Честотата на превключване в тези приложения обикновено е по-висока от 20 kHz, надвишавайки диапазона, за който са оптимизирани стандартните индустриални IGBT модули. От няколко години Mitsubishi Electric предлага специална серия IGBT модули, предназначени за тези високочестотни приложения, наречена серия NFH. За да се намалят загубите при превключване, се използват IGBT транзистори с оптимален компромис между напрежението Vce(sat) и загубите при охлаждане Eoff. Като допълнителна иновация, Mitsubishi Electric въвежда технология със силициево-карбидни чипове в този доказан дизайн от серията NFH.

Хибриден подход за SiC-IGBT модули

Разработена е серия от двойни 1200V модули с номинален ток от 100A до 600A [1], използващи силициево-карбидни Шотки диоди (SBD). Този подход се нарича „хибридни SiC“ модули. За по-добро разбиране на използваната терминология, моля, вижте Фигура 1. Хибриден SiC модул включва силициево-карбиден IGBT, комбиниран със силициево-карбидни Шотки диоди. IGBT чиповете са едни и същи както в традиционната серия NFH, така и в новата хибридна серия SiC NFH.

Фигура 1: Еволюция на SiC технологията в силови модули

Таблица 1: Подреждане

Фигура 2: Описания на състава и корпуса

Основните форми на превключване са показани на Фигура 1. Тъй като Шотки диодите, бидейки униполярни полупроводници, нямат обратно възстановяване на заряда, няма загуби от обратно възстановяване. Липсата на ток на обратно възстановяване в диода води до значително намаляване на загубите при включване на IGBT.

Допълнително намаляване на общите загуби на мощност може да се постигне, ако както активният ключ, така и диодът със свободен поток са изработени от силициев карбид. Този подход се нарича модул "Full SiC".

Описания на състава и корпуса

Съставът на новата серия NFH хибридни SiC е показан в Таблица 1, а описанията на корпусите са дадени на Фигура 2. За средни и големи корпуси основните конектори са разположени отстрани на корпуса. Тази подредба позволява използването на ламинирана структура на главния преход в модула, за да се намали вътрешната индуктивност на корпуса Lint. За всички номинални токове на средните и големите размери на корпуса, вътрешната индуктивност на корпуса е в диапазона от 18-22nH (определена между главните преходи P и N).

Поведение при превключване

Формите на вълната при включване при условия на индуктивно натоварване за традиционния NFH CM600DU-24NFH модул и новия хибриден SiC CMH600DU-24NFH модул са показани на Фигура 3. Като се има предвид, че и двата типа модули използват едни и същи IGBT чипове, разликата във формата на вълната при превключване се дължи на разликата в поведението на свободно плаващия диод. Ключовата разлика между двете криви на тока може да се обясни с липсата на обратно възстановяващ се заряд (и следователно ток на обратно възстановяване на диода) в хибридния SiC модул CMH600DU-24NFH, тъй като Шотки диодът е еднополюсен полупроводник. В резултат на това, както загубите от охлаждане на диодите при свободен поток, така и загубите при включване на IGBT транзистора при превключване на индуктивен товар са драстично намалени, както може да се види на диаграмите на енергията на превключване, показани на фигури 4 и 5.

Сравнение на производителността на загубите

Симулацията на загубите на мощност при работни условия на преобразувателя (твърд резонанс) със синусоидална импулсно-широчинна модулация разкрива значителното въздействие на използването на SiC Шотки диоди вместо конвенционални силициеви диоди в модулите от серията NFH: при fc=30 kHz, SiC хибридният модул има само половината от общите загуби в сравнение със силициевия модул, както е показано на фигура 6.

Зависимостта на общата загуба на мощност на модула от честотата на PWM превключване fc е показана на фигура 7. От тази диаграма може да се заключи, че общата загуба на мощност на новия SiC хибриден тип CMH600DU-24NFH при fc=50 kHz е на същото ниво като на пълния Si модул при fc=17 kHz. Като се има предвид, че и двата модула CMH600DU-24NFH, и CM600DU-24NFH имат еднакъв капацитет за разсейване на мощност (еднакъв размер на базовата плоча и следователно еднакъв Rth(c-f); еднакъв Rth(j-c) за IGBT транзисторите), изглежда възможно да се утрои честотата на превключване fc, като същевременно се запази разсейването на мощността на модула на същото ниво.

Фигура 3: Форми на вълните на тока на Ic при включване

Фигура 4: Енергия на включване E(on) на IGBT спрямо ток

Предимства на приложението

Описаните промени в производителността на загубите при превключване при условия на трудно превключване предлагат основни системни предимства в две основни посоки, използвайки новата хибридна серия SiC NFH: най-очевидната е възможността за увеличаване на честотата на превключване fc. Размерът на индукторите в силова електронна система често се определя от честотата на превключване. Увеличаването на fc може да помогне за намаляване на размера (и цената) на тези индуктори. Възможно е също така да се подобри динамичният отговор на силовата електронна система чрез увеличаване на fc. Друга посока е подобряване на енергийната ефективност на силовата електронна система. Това е интересна опция, особено в приложения, където ниската системна ефективност е наказана. Като цяло, намаляването на загубите на разсейвана мощност в IGBT модулите ще помогне за намаляване на размера на радиатора. Това е интересно за приложения, където радиаторът е ограничаващ фактор за намаляване на размера на системата. Друго предимство на новата хибридна серия SiC се очаква и в приложения с меко превключване. Липсата на обратно възстановяващо се зареждане по време на изключване на диода може допълнително да намали разсейването на мощност.

Фигура 5: Енергия при изключване на диод със свободен поток спрямо ток

Фигура 6: Симулация на загуба на мощност (работа на инвертор с ШИМ синусоидална модулация)

Обобщение и перспективи

Използване на новия хибрид на Mitsubishi SiC IGBT модулите позволяват драстично намаляване на загубите при превключване. Използването на SiC Schottky диоди вместо конвенционални силициеви диоди като диоди със свободно протичане в модулите от серията NFH елиминира обратното възстановяване на заряда, когато диодът със свободно протичане се изключи. При работа на конвертор с твърд резонанс това позволява честотата на превключване да се увеличи с коефициент 2-3 в сравнение със силициевите IGBT модули.

Фигура 7: Загуба на мощност като функция на честотата на PWM превключване fc

Могат да се очакват и ползи от приложението при използване на новите хибридни SiC модули в приложения с меко превключване поради липсата на възстановяване на обратния заряд по време на изключване на диода. Необходими са допълнителни изследвания в тази област.

Литература

[1] „Mitsubishi Electric ще достави мостри на хибридни SiC силови полупроводникови модули за приложения с високочестотно превключване“; Прессъобщение на Mitsubishi Electric Corporation; Токио, 15 май 2014 г.