Jste zde

XPT IGBT a jejich použití ve výkonové elektronice

Vlastimil Píč, 14. Srpen 2009 - 0:00

Výkonová elektronika – to nejsou jen napětí a proudy „větší než obvykle“. S velkými výkony totiž musíme pracovat účinně a technologie XPT nám v tomto ohledu nabízí odpovídající řešení s nízkými ztrátami i náležitou odolností, třeba proti zkratu. Nechybí ani SW podpora vývoje.

IXYS využil svých znalostí a zkušeností k optimálnímu návrhu výkonových prvků a představil svou nejnovější generaci IGBT (XPT), optimalizovanou pro

řízení motorů
UPS
solární aplikace
střídače (DC – AC) apod.

s možností paralelního řazení, práce do zkratu a zejména dostatečně velkým výkonem. Využití netradičního návrhu spolu s novými technologickými postupy pak stálo u zrodu nových charakteristických vlastností jednotlivých prvků. Doporučená kombinace XPT IGBT s nedávno zveřejněnou nabídkou diod SONIC (IXYS) zajišťuje rychlé a dostatečně měkké spínání. První IGBT obvody pracují v napěťovém rozsahu 1 200 V s proudy 10 A až 50 A, přičemž budou dále součástí řady modulů IXYS, které v můstkovém zapojení s přehledem pokryjí potřeby výkonově náročnějších aplikací.

Technologie XPT – tenká je dobrá

Posunem od punch through technologie směrem k XPT (Extreme Light Punch Through) IXYS následuje vhodně zavedený trend ve výrobě IGBT, směřující ke snižování tloušťky křemíkových plátků (wafer - jindy také oplatka ke zmrzlině či hostie ve smyslu náboženském). Použití waferů s tloušťkou již od 70 μm, např. 600 V XPT IGBT na obrázku 01, znamená snížení tepelného odporu, stejně jako propustného napětí IGBT prvku, čímž umožňuje dosažení vyšších proudových hustot. Takový obrat pak směřuje k menším velikostem čipu pro daný proudový rozsah a následným výhodám, umocněným konkrétním způsobem zapouzdření.

Obr. 01: 70 μm silný XPT IGBT-Wafer a jeho ohebnost, způsobená malou tloušťkou Si

Technologie XPT pracuje s nastavitelnou účinností emitoru prostřednictvím řízené koncentrace nosičů (p-emitter / n-buffer) na anodové straně IGBT. Při současném využití kladného teplotního koeficientu propustného napětí lze takto dosáhnout jednoduchého paralelního spojení dílčích IGBT prvků. Konkrétní výhody sloučení návrhu s technologií tenkých waferů XPT vyniknou na následujících charakteristikách, které popíšou statické i dynamické chování, stejně jako odolnost a spolehlivou odezvu během výkonového testování spínacích stavů.

Charakteristické vlastnosti XPT

XPT IGBT byly navrženy s ohledem na zajištění nízkých ztrát během spínání při současném udržení minimálního napětí na prvku v sepnutém stavu. O dosažení požadovaných vlastností se stará vylepšená SOA (Safe Operating Area) spolu s dostatečně vysokou odolností během zkratových stavů. Následující výstupní charakteristika vykresluje závislost při různých teplotách.

Obr. 02: Výstupní charakteristika XPT IGBT

XPT IGBT vykazuje malé Vce(sat) (1.8 V @ Inom & 25 °C & 2.1 V @ Inom & 125 °C). Kladný teplotní koeficient XPT IGBT napomáhá záporné zpětné vazbě, čímž vytváří vhodné podmínky pro paralelní spojování XPT do větších modulů. Kromě nízkého napětí Vce(sat) stojí za zmínku i malý unikající proud ve vypnutém stavu při 150 °C (< 75 μA @ 1200 V). Spínací a vypínací charakteristiky 35 A, 1200 V XPT IGBT zachycují obrázky 03 a 04.

Obr. 03: Vypínací charakteristika XPT IGBT

Jak vyplývá z obr. 03, časový průběh tekoucího proudu svou „hladkostí“ bez drastičtějších doprovodných přepěťových špiček nahrává snížení EMI. Lineární napěťový vzestup spolu s krátkým přechodovým jevem protékajícího proudu během vypínání znamenají snížení ztrát (Eoff = 4.5 mJ). XPT IGBT navíc pracuje s malým nábojem na gate (110 nC @ 15 V).

XPT a SONIC – vynikající souhra

Optimální shody při snižování spínacích ztrát lze dosáhnout spojením XPT IGBT s diodami Sonic (rovněž IXYS), které se vedle výjimečných teplotních vlastností mohou rovněž pochlubit i malým propustným napětím. Zotavovací charakteristika diod Sonic umožňuje spínání XPT IGBT v rámci velmi vysokých přírůstků di / dt a to i při nízkých proudech.

Obr. 04: Spínací charakteristika XPT IGBT

Diody Sonic v sobě spojují malý závěrný zotavovací proud (Reverse Recovery Current) spolu s krátkou závěrnou zotavovací dobou (Reverse Recovery Time) k minimalizaci energie potřebné k sepnutí XPT IGBT (Eon = 3.7 mJ) - viz také obr. 04. Vf bude navíc v případě diod Sonic méně citlivé vůči teplotě. Prvek tak může lépe pracovat v paralelním režimu a dále napomáhat snížení spínacích ztrát.

Robustnost charakteristik XPT

Chování IGBT během zkratu je velmi důležitou otázkou nejen při řízení motorů. XPT IGBT od společnosti IXYS v tomto ohledu nabízí vyjímečnou odolnost i parametry. Návrh čipu byl optimalizován s ohledem na nízké transkonduktance v propustném směru a poskytuje zkratový proud blížící se čtyřnásobku jmenovité hodnoty.

Obr. 05: Zkratová charakteristika XPT IGBT

Obrázek 05 zachycuje 35 A, 1200 V XPT IGBT během chodu nakrátko v délce 10 μs. Napětí na gate bylo při teplotě 125 °C +/-15 V. Charakteristika zobrazuje extrémní zkratovou odolnost součástky při rostoucích napětích i teplotách a to bez jakékoli újmy na požadovaných vlastnostech. Plocha RBSOA (Reverse Biased Safe Operating Area) dosahuje při velmi vysokých teplotách a 1200 V až dvojnásobku jmenovitého proudu.

XPT moduly a výpočet ztrát

Ztráty modulů XPT IGBT včetně příslušné teploty přechodu lze během činnosti v řídicích, 3fázových aplikacích pro dané provozní podmínky jednoduše určit s pomocí IXYS IMC-Tool (IGBT Module Calculation Tool). V poslední verzi IMC-Tool jsou k dispozici výpočetní modely pro všechny XPT moduly, využívající základní měděnou desku. Ztráty na IGBT prvku včetně následné změny teploty čipu budou stanoveny s ohledem na ohřev přívodů i spínací ztráty na fázových kmitočtech, např. 2 až 50 Hz. Po ustálení teploty jsou výsledky zobrazeny v grafické podobě.

Obr. 06: Kmitočtová závislost celkových ztrát, tak jak ji určil IMC Tool

Jak ukazuje obr. 06, můžeme v daném rozsahu fázových kmitočtů s využitím IMC Tool jednoduše porovnávat výsledky dosažené pomocí XPT a trench technologií. Konkrétní podmínky ukazuje náhled obrazovky (Udc = 700 V, fphase = 50 Hz, I = 25 A, Ths = 60 °C). Jako základ pro výpočty byl použit 35 A modul CBI (MIXA35WB1200TED). Pro aplikace pracující až do 4 kHz jsou rozdíly v celkových ztrátách obou technologií zanedbatelné, zatímco nad 4 kHz vynikne výjimečná povaha XPT, snižující celkové ztráty s následným pozitivním vlivem na klesající teplotu čipu. V takových případech se pak stává XPT IGBT modul jasnou volbou. Srovnání XPT modulů na základě napětí prvku v sepnutém stavu a celkových ztrát během spínání s moduly IXYS (IXYS E2-Pack) a jejich technologiemi trench a SPT ukazuje obr. 07.

Obr. 07: Porovnání jednotlivých technologií

XPT IGBT modul nabídne ve srovnání se standardním SPT (MWI50-12E7) výrazně nižší napěťový úbytek a také nižší spínací ztráty než standardní trench (MWI50-12T7T). Výše uvedené tak dokládá, že sloučení technologie XPT IGBT s diodami Sonic rozhodně dokáže zajistit konkurence schopné IGBT moduly.

XPT produkty

1200 V prvky XPT IGBT v podobě standardních diskrétních součástek a modulů, případně také jako zákazníkem specifikovaná řešení, pracují se jmenovitými proudy 10 A, 15 A, 35 A a 50 A. Vybírat budeme moci z různých kombinací, topologií i použitého způsobu zapouzdření. Keramický substrát může být vybaven integrovaným teplotním senzorem NTC.

Obr. 08: Vybraný přehled produktů

Řada se ještě bude rozrůstat o další čtyři IGBT – 25 A, 75 A a 100 A (1200 V) a 100 A (1700 V). Kompletní nabídka XPT IGBT pokryje proudový rozsah 3 A až 150 A (600 V, 1200 V a 1700 V).

Závěr:

Představením XPT IGBT rozšířila společnost IXYS svou produktovou řadu IGBT tak, aby ještě lépe splňovala náročné požadavky na vysokou provozní odolnost, nízké ztráty a možnost souběžného fungování jednotlivých výkonových prvků. Elektrické, stejně jako tepelné vlastnosti prvních dostupných modelů ukazují, že spojení nové technologie XPT IGBT s diodami Sonic může s přehledem zajistit konkurence schopná řešení ve srovnání s ostatními IGBT technologiemi.