Гибридные IGBT-модули на основе SiC с напряжением 1200 В для высокочастотных применений

Модули IGBT на основе SiC 1200 В для высокочастотных применений

В последние годы на рынок были выпущены специальные модули IGBT для работы на высоких частотах переключения. Типичные области применения включают рентгеновские генераторы, компьютерные томографы, индукционные нагреватели, сварочные аппараты, плазменную резку или инверторы для изолированного или бесконтактного преобразования энергии.

Автор: Экхард Таль, Mitsubishi Electric Europe B.V., Ратинген, Германия

Частота переключения в этих приложениях обычно превышает 20 кГц, что выходит за рамки диапазона, для которого оптимизированы стандартные промышленные модули IGBT. В течение нескольких лет компания Mitsubishi Electric предлагает специальную серию модулей IGBT, предназначенных для этих высокочастотных применений, называемую серией NFH. Для снижения потерь при переключении используются IGBT с оптимальным компромиссом между прямым напряжением Vce(sat) и потерями на охлаждение Eoff. В качестве дальнейшего нововведения компания Mitsubishi Electric внедряет технологию чипов из карбида кремния в проверенную конструкцию серии NFH.

Гибридный подход к модулям SiC-IGBT

Разработана серия двухканальных модулей на 1200 В с номинальным током от 100 А до 600 А [1] с использованием диодов Шоттки из карбида кремния (SBD). Этот подход называется «гибридными модулями SiC». Для лучшего понимания используемой терминологии см. рисунок 1. Гибридный модуль SiC включает в себя IGBT на основе кремния в сочетании с диодами Шоттки из карбида кремния. В традиционной серии NFH и новой гибридной серии SiC NFH используются одинаковые микросхемы IGBT.

Рисунок 1: Эволюция технологии SiC в силовых модулях

Таблица 1: Модельный ряд

Рисунок 2: Описание линейки и корпусов

Основные формы сигналов переключения показаны на рисунке 1. Поскольку диоды Шоттки, являясь униполярными полупроводниками, не имеют заряда обратного восстановления, отсутствуют потери обратного восстановления. Отсутствие тока обратного восстановления в диоде приводит к значительному снижению потерь при включении IGBT.

Дальнейшего снижения общих потерь мощности можно достичь, если как активный переключатель, так и диод свободного потока изготовлены из карбида кремния. Такой подход называется модулем «полностью SiC».

Описание линейки и корпусов

Линейка новой серии гибридных SiC NFH показана в таблице 1, а описание корпусов приведено на рисунке 2. Для средних и больших корпусов основные разъемы расположены по бокам корпуса. Такая конструкция позволяет использовать ламинированную структуру основного перехода внутри модуля для уменьшения внутренней индуктивности корпуса Lint. Для всех номинальных токов средних и больших размеров корпуса внутренняя индуктивность корпуса находится в диапазоне 18-22 нГн (определена между основными переходами P и N).

Поведение при переключении

На рисунке 3 показаны осциллограммы включения при индуктивной нагрузке для традиционного модуля NFH CM600DU-24NFH и нового гибридного модуля SiC CMH600DU-24NFH. Учитывая, что оба типа модулей используют абсолютно одинаковые микросхемы IGBT, разница в осциллограмме переключения обусловлена ​​различием в поведении свободно плавающих диодов. Ключевое различие между двумя кривыми тока объясняется отсутствием заряда обратного восстановления (и, следовательно, тока обратного восстановления диода) в гибридном SiC-модуле CMH600DU-24NFH, поскольку диод Шоттки является однополярным полупроводником. В результате, как потери на охлаждение диодов с непрерывным потоком, так и потери при включении IGBT при переключении индуктивной нагрузки значительно снижаются, что видно на диаграммах энергии переключения, показанных на рисунках 4 и 5.

Сравнение потерь

Моделирование потерь мощности в условиях работы преобразователя (жесткий резонанс) с синусоидальной широтно-импульсной модуляцией показывает значительное влияние использования диодов Шоттки SiC вместо обычных кремниевых диодов в модулях серии NFH: при fc=30 кГц гибридный модуль SiC имеет вдвое меньшие суммарные потери по сравнению с модулем на основе кремния, как показано на рисунке 6.

Зависимость суммарных потерь мощности модуля от частоты переключения ШИМ fc показана на рисунке 7. Из этой диаграммы можно сделать вывод, что суммарные потери мощности нового гибридного модуля SiC типа CMH600DU-24NFH при fc=50 кГц находятся на одном уровне. уровень полностью кремниевого модуля при частоте fc=17 кГц. Учитывая, что модули CMH600DU-24NFH и CM600DU-24NFH имеют одинаковую мощность рассеивания (одинаковый размер базовой пластины и, следовательно, одинаковое Rth(c-f); одинаковое Rth(j-c) для IGBT), кажется возможным утроить частоту переключения fc, сохраняя при этом уровень рассеивания мощности модуля на том же уровне.

Рисунок 3: Формы тока Ic при включении

Рисунок 4: Энергия включения IGBT E(on) в зависимости от тока

Преимущества применения

Описанные изменения в характеристиках потерь при переключении в условиях жесткого переключения обеспечивают основные преимущества системы в двух основных направлениях при использовании новой серии гибридных SiC NFH: наиболее очевидным является возможность увеличения частоты переключения fc. Размер индукторов в системе силовой электроники часто определяется частотой переключения. Увеличение fc может помочь уменьшить размер (и стоимость) этих индукторов. Также возможно улучшить динамический отклик системы силовой электроники за счет увеличения fc. Еще одно направление — повышение энергоэффективности системы силовой электроники. Это интересный вариант, особенно в тех областях применения, где низкая эффективность системы является недостатком. В целом, снижение потерь мощности в модулях IGBT поможет уменьшить размер радиатора. Это особенно важно для тех областей применения, где радиатор является ограничивающим фактором для уменьшения размеров системы. Еще одно преимущество новой серии гибридных SiC ожидается также в приложениях с мягким переключением. Отсутствие заряда обратного восстановления во время выключения диода может дополнительно снизить рассеиваемую мощность.

Рисунок 5: Энергия выключения диода со свободным потоком в зависимости от тока

Рисунок 6: Моделирование потерь мощности (работа инвертора с ШИМ-синусоидальной модуляцией)

Краткое содержание и перспективы

Использование новых гибридных модулей SiC IGBT от Mitsubishi позволяет значительно снизить потери при переключении. Использование диодов Шоттки SiC вместо обычных кремниевых диодов в качестве диодов свободного потока в модулях серии NFH исключает заряд обратного восстановления при выключении диода свободного потока.

Рисунок 7: Потери мощности в зависимости от частоты переключения ШИМ fc

Также можно ожидать преимуществ в применении новых гибридных модулей SiC в приложениях с мягким переключением из-за отсутствия восстановления обратного заряда во время выключения диода. В этой области необходимы дальнейшие исследования.

Литература

[1] "Mitsubishi Electric поставляет образцы гибридных силовых полупроводниковых модулей SiC для высокочастотных коммутационных приложений"; Пресс-релиз корпорации Mitsubishi Electric; Токио, 15 мая 2014 г.