Module IGBT hibride SiC de 1200V pentru aplicații de înaltă frecvență

Module IGBT SiC de 1200V pentru aplicații de înaltă frecvență

În ultimii ani au fost introduse pe piață module IGBT speciale pentru funcționarea la frecvență de comutare înaltă. Aplicațiile tipice includ generatoare de raze X, scanere CT, încălzitoare cu inducție, mașini de sudură, tăiere cu plasmă sau invertoare pentru conversia puterii izolată sau fără contact.

Autor: Eckhard Thal, Mitsubishi Electric Europe B.V., Ratingen, Germania

Frecvența de comutare în aceste aplicații este de obicei mai mare de 20 kHz, depășind intervalul pentru care sunt optimizate modulele IGBT industriale standard. De câțiva ani, Mitsubishi Electric a oferit o serie specială de module IGBT dedicate acestor aplicații de înaltă frecvență, numită seria NFH. Pentru a reduce pierderile de comutare, utilizează IGBT-uri cu un compromis optim între tensiunea directă Vce(sat) și pierderile de răcire Eoff. Ca o inovație suplimentară, Mitsubishi Electric introduce tehnologia cipurilor din carbură de siliciu în acest design dovedit al seriei NFH.

Abordare hibridă pentru modulele SiC-IGBT

O serie de module duale de 1200V cu curent nominal de la 100A la 600A [1] a fost dezvoltată folosind diode Schottky din carbură de siliciu (SBD). Această abordare se numește module „hibride SiC”. Pentru o mai bună înțelegere a terminologiei utilizate, vă rugăm să consultați Figura 1. Un modul hibrid SiC încorporează un IGBT pe bază de siliciu combinat cu diode Schottky din carbură de siliciu. Cipurile IGBT sunt aceleași atât în ​​seria tradițională NFH, cât și în noua serie hibridă SiC NFH.

Figura 1: Evoluția tehnologiei SiC în modulele de putere

Tabelul 1: Gamă

Figura 2: Descrieri ale configurației și pachetelor

Formele de undă de comutare de bază sunt prezentate în Figura 1. Deoarece diodele Schottky, fiind semiconductori unipolari, nu au sarcină de recuperare inversă, nu există pierderi de recuperare inversă. Absența curentului de recuperare inversă în diodă duce la o reducere semnificativă a pierderilor la activare ale IGBT.

Reduceri suplimentare ale pierderii totale de putere pot fi obținute dacă atât comutatorul activ, cât și dioda cu flux liber sunt fabricate din carbură de siliciu. Această abordare se numește modul „Full SiC”.

Descrieri ale configurației și pachetelor

Gama noii serii SiC hibride NFH este prezentată în Tabelul 1, iar descrierile pachetelor sunt furnizate în Figura 2. Pentru pachetele medii și mari, conectorii principali sunt amplasați pe părțile laterale ale pachetului. Această configurație permite utilizarea unei structuri de joncțiune principală laminată în cadrul modulului pentru a reduce inductanța internă a pachetului Lint. Pentru toți curenții nominali ai dimensiunilor medii și mari ale pachetelor, inductanța internă a carcasei este în intervalul 18-22nH (definită între joncțiunile principale P și N).

Comportamentul de comutare

Formele de undă la activare în condiții de sarcină inductivă pentru modulul tradițional NFH CM600DU-24NFH și noul modul hibrid SiC CMH600DU-24NFH sunt prezentate în Figura 3. Având în vedere că ambele tipuri de module utilizează exact aceleași cipuri IGBT, diferența de formă de undă de comutare se datorează diferenței de comportament al diodelor flotante. Diferența cheie dintre cele două curbe de curent poate fi explicată prin absența sarcinii de recuperare inversă (și, prin urmare, a curentului de recuperare inversă al diodelor) în modulul hibrid SiC CMH600DU-24NFH, deoarece dioda Schottky este un semiconductor unipolar. Drept urmare, atât pierderile de răcire ale diodelor cu flux liber, cât și pierderile la activare ale IGBT-urilor la comutarea unei sarcini inductive sunt reduse drastic, așa cum se poate observa în diagramele de energie de comutare prezentate în Figurile 4 și 5.

Comparație a performanței pierderilor

Simularea pierderilor de putere în condiții de funcționare a convertorului (rezonanță dură) cu modulație sinusoidală a lățimii impulsurilor relevă impactul semnificativ al utilizării diodelor Schottky SiC în locul diodelor convenționale de siliciu în modulele din seria NFH: la fc=30 kHz, modulul hibrid SiC are doar jumătate din pierderile totale comparativ cu modulul pe bază de siliciu, așa cum se arată în Figura 6.

Dependența pierderii totale de putere a modulului de frecvența de comutare PWM fc este prezentată în Figura 7. Din această diagramă, se poate concluziona că pierderea totală de putere a noului tip hibrid SiC CMH600DU-24NFH la fc=50 kHz este la același nivel ca și modulul complet pe bază de Si la fc=17 kHz. Având în vedere că ambele module, CMH600DU-24NFH și CM600DU-24NFH, au aceeași capacitate de disipare a puterii (aceeași dimensiune a plăcii de bază și, prin urmare, același Rth(c-f); același Rth(j-c) pentru IGBT-uri), pare posibil să se tripleze frecvența de comutare fc, menținând în același timp disiparea puterii modulului la același nivel.

Figura 3: Forme de undă ale curentului Ic la pornire

Figura 4: Energia de activare E(activare) a IGBT în funcție de curent

Avantajele aplicației

Modificările descrise în performanța pierderilor de comutare în condiții de comutare dificilă oferă beneficii principale pentru sistem în două direcții principale, utilizând noua serie hibridă SiC NFH: cea mai evidentă este capacitatea de a crește frecvența de comutare fc. Dimensiunea inductoarelor dintr-un sistem electronic de putere este adesea determinată de frecvența de comutare. Creșterea fc poate ajuta la reducerea dimensiunii (și a costului) acestor inductoare. De asemenea, este posibil să se îmbunătățească răspunsul dinamic al sistemului electronic de putere prin creșterea fc. O altă direcție este îmbunătățirea eficienței energetice a sistemului electronic de putere. Aceasta este o opțiune interesantă, în special în aplicațiile în care eficiența scăzută a sistemului este penalizată. În general, reducerea pierderilor de putere disipate în modulele IGBT va ajuta la reducerea dimensiunii radiatorului. Acest lucru este interesant pentru aplicațiile în care radiatorul este un factor limitator pentru reducerea dimensiunii sistemului. Un alt beneficiu al noii serii hibride SiC este așteptat și în aplicațiile de comutare ușoară. Absența sarcinii de recuperare inversă în timpul opririi diodelor poate reduce și mai mult disiparea de putere.

Figura 5: Energia de oprire a diodelor cu flux liber vs. curent

Figura 6: Simularea pierderii de putere (funcționarea invertorului cu modulație sinusoidală PWM)

Rezumat și perspective

Utilizarea noului IGBT hibrid SiC de la Mitsubishi module, este posibil să se reducă drastic pierderile de comutare. Utilizarea diodelor Schottky SiC în locul diodelor convenționale de siliciu ca diode cu flux liber în modulele din seria NFH elimină recuperarea sarcinii inverse atunci când dioda cu flux liber se oprește. În funcționarea convertorului cu rezonanță puternică, acest lucru permite creșterea frecvenței de comutare cu un factor de 2-3 în comparație cu modulele IGBT pe bază de siliciu.

Figura 7: Pierderea de putere în funcție de frecvența de comutare PWM fc

Beneficii pentru aplicații pot fi, de asemenea, așteptate atunci când se utilizează noile module hibride SiC în aplicații de comutare ușoară, datorită lipsei recuperării sarcinii inverse în timpul opririi diodelor. Sunt necesare cercetări suplimentare în acest domeniu.

Literatură

[1] „Mitsubishi Electric va livra module semiconductoare hibride SiC de putere pentru aplicații de comutare de înaltă frecvență”; Comunicat de presă Mitsubishi Electric Corporation; Tokyo, 15 mai 2014