Nedavne izboljšave tehnologij IGBT so precej zmanjšale preklopne izgube naprav. Takšna korist je bila dosežena s spremembami v strukturi IGBT čipa. V tem članku boste videli, kakšne prednosti prinaša Kelvinov emitor.
Infineon Technologies AG
2021-302-24
Slika 1 predstavlja primerjavo preklopnih energij diskretnih 50A IGBT-jev različnih tehnologij. IGBT in tehnologije dodanih diod so navedene na dnu slike 1, kot tudi leto, ko prišle na trg. Energija je bila izmerjena v stikalni celici, pri čemer je bila kot nasproten tranzistor uporabljen tranbzistor iz iste družine in enakega deklariranega toka.
Podrobnejši pogled na sliko 1 razkriva, kako impresivno se je zmanjšala energija izklopa IGBT-jev v nedavnih družinah. To je bilo doseženo z zmanjšanjem časa padca toka med izklopom, kar je
skoraj v celoti odstranilo rep preklopnega toka.
Po drugi strani pa se energija vklopa praktično ni spremenila. Eden od glavnih razlogov je obnašanje ob vklopu IGBT, ki je močno odvisno od povratne diode in količine njenega povratnega naboja okrevanja. Pravzaprav se količina obnovitvenega naboja nagiba k povečanju, ko se dioda rekombinira s hitrejšim IGBT, s čimer se povečajo izgube stikala pri vklopu.
Da bi dosegli občutno zmanjšanje izgub pri vklopu, so pri podjetju Infineon razvili TO-247 4-pin ohišje za družine TRENCHSTOP™ 5. To ohišje vsebuje dodaten priključek za emitor, ki je povezan izključno s krmilno zanko in se je že uspešno uporabljal v kombinaciji s super spojnimi MOSFET iz CoolMOS™ C7 tehnologije [1].
S Kelvin emitor konfiguracijo se hitrost preklopa še poveča. Posledično se preklopne izgube zmanjšajo pri vklopu in izklopu, tudi če v uporabi ostane ista nasprotna dioda. Uporaba TO-247 4-pin ohišja poveča splošno učinkovitost sistema in omogoča, da IGBT tranzistor deluje pri nižji temperaturi.
Kelvin emitor konfiguracija
V standardnih THT ohišjih, kot je na primer TO-220 ali TO-247, vsak priključek predstavlja parazitivno induktivnost. Zlasti induktivnost emitorja je del obeh, močnostne in krmilne zanke.
Kot je prikazano na sliki 2, močnostna zanka vključuje tudi parazitivne induktivnosti priključka kolektorja in povezav na TIV-u, ki povezujejo stikalne naprave z DC-link kondenzatorjem. Zanka vrat vsebuje induktivnosti, ki prihajajo iz povezave vrat in iz vezic na TIV, ki povezujejo vrata in priključke emitorja na upor vrat in gonilnik vrat.
TO-247 4-pin ohišje
Na novo predstavljeno 4-pin TO-247 ohišje ima dodatno povezavo z IGBT-jevim emitorjem, označenim z E2 na sliki 3. Ta točka mora biti povezana z gonilnikom vrat, kot je prikazano na sliki 3. Znan je tudi kot Kelvinov emitor priključek. Ta priključek ni izpostavljen dušenju, ki prihaja iz napajalne zanke. Tok, ki prihaja iz kolektorja IGBT-ja teče izključno preko močnostnega emitorskega priključka E1.
Druga razlika od TO-247 4-pin ohišja je priključek, ki se razlikuje od standardnega TO-247-3, kot je razvidno iz slike 3. To je storjeno, da se ohrani plazilna razdalja za visoko napetost med priključki. Poleg tega so priključki, ki so povezani z napajalno zanko, C in E1, postavljeni drug ob drugem, prav tako za krmilno zanko E2 in G.
Delovanje med vklopom
Za oceno prednosti konfiguracije Kelvinovega emitorja med vklopom, je bil IKZ50N65EH5 IGBT uporabljen kot testna naprava (DUT). Gre za 50A IGBT iz družine TRENCHSTOP™ 5 v TO-247 4-pin ohišju.
V prvem nizu testov emitor E2 ni bil priključen. Izhod gonilnika vrat je bil priključen na priključka G in E1. Ta posnema standardno ohišje TO-247 in se imenuje 3-pin konfiguracija na sliki 4. V drugem nizu sta bila priključka E1 in E2 povezana kot na sliki 3. Ta konfiguracija je na sliki 4 označena kot 4-pin.
Kar zadeva vklop, postane izklop IGBT hitrejši tudi znotraj TO-247 4-pin. Posledično se hitrost spremembe toka dIC/dt poveča. Če se induktivnost zanke ne izboljša, bo to vodilo do višjega prenapetostnega vrha. Zaradi zelo kratkega časa vzpona in nizke izhodne zmogljivosti bodo TRENCHSTOP™ 5 IGBT-ji predstavljali prenapetostne špice med izklopom [2]. Ta učinek se poveča z induktivnostjo zanke Lloop glede na formulo:
Lastnosti preklopa
Slika 5 prikazuje vpliv ohišja na izklop IKZ50N65H5, kjer sta komutacijska napetost in tok 400V oziroma 100A. Temperatura spoja je bila Tj=25 °C. Na levi strani na sliki 5 je prikazan IGBT v 3-pin konfiguraciji. Največja stopnja spremembe kolektorskega toka je 1,5 A/ns, kar vodi do 530 V konice prenapetosti.
Na desni strani slike 5 je ista naprava zdaj priklopljena v 4-pin konfiguraciji. Komutacijska hitrost se poveča na 2A/ns, kar vodi do nižjih izgub. Vendar pa prenapetostna konica doseže vrednost 570V, kar je precej pod 20 % mejne napetosti, ki bi povzročila uničenja IGBT.
Da bi se izognili tako visoki prenapetosti, je treba zmanjšati induktivnost zanke. To se naredi z optimizacijo povezav tiskanega vezja in s postavitvijo komponent [2]. Druga možnost je, da se upor vrat RG.OFF poveča, kar vodi v počasnejšo komutacijo in nižji dIC/dt. Na sliki 6 je prikazana previsoka napetost med izklopom IKZ50N65EH5 glede na različne upore vrat in kolektorske tokove.
Kot posledica povečanja RG.OFF se bodo izgube pri izklopu povečale in koristi TO-247 4-pin ohišja bodo delno izničene ob izklopu, kot je prikazano na grafu na sliki 7. Če primerjamo izklopne izgube 50A TRENCHSTOP™ 5 H5 IGBT, je možno, da je znatna korist Kelvinove konfiguracije emitorja dosežena samo za vrednosti, ki presegajo nazivni tok IGBT.
Skupne izgube
Vsota stikalnih izgub treh testiranih naprav je prikazana na sliki 8 (a). Prednost konfiguracije Kelvinovega emitorja je večja za najvišje tokove. To so pogoji, kjer si pričakovani najvišje spremembe tokov. Zato bo induktivnost priključka najbolj dušila napetost vrat
v 3-pinski konfiguraciji.
Posledično je v aplikacijah, kjer je tok višji od nazivnega toka IGBT, je zmanjšanje preklopnih izgub lahko večje od 20%. To je pogost primer pri napajalnikih za neprekinjeno napajanje.
Za aplikacije, kjer je tok običajno okoli polovice nazivnega toka IGBT, kot so npr. fotovoltaični pretvorniki ali stikalni napajalniki (SMPS), je učinkovitost nekoliko nižja, vendar je še vedno prisotna in znaša do 15 % stikalnih izgub.
Navodila za razvoj
TRENCHSTOP™ 5 je doslej edina generacija IGBT v TO-247 4-pin, ki je na voljo na trgu. V primeru da potreben alternativni tranzistor, bi razporeditev na priključkih omogočila uporabo tranzistorja v TO-247 ohišju. Ena možnost je prikazana na sliki 9.
Priporočljiv krmilnik za IGBT
Naj navedeno nekaj priporočil v zvezi z gonilnikom vrat:
Lokalna ozemljitev gonilnika, ki se nanaaa na pomo~ni emitor, mora biti izolirana od ozemljitve napajanja. To je obvezno, da preprečite kratek stik priključkov E1 in E2!
Priporočljiva sta ločena RG.ON in RG.OFF, saj je optimizirana upornost za vklop in izklop lahko zelo razlićna druga od druge. To preprečuje nepotrebno povečanje stikalni izgub.
Glede na zgornje točke je ustrezen gonilnik EiceDRIVER™ Compact, ki je bil nedavno predstavljen.
[3]. Slika 10 prikazuje tipično povezavo med gonilnikom in IGBT v 4-pinski ohišju TO-247.
Vzporedna vezava več IGBT-jev
Ko IGBT-je v 4-pin TO-247 ohišju vežemo vzporedno, se lahko vzpostavi krožni tok med IGBT-ji. Ta tok teče skozi priključke Kelvinovega emitorja tranzistorjev, kot je lahko prikazano na sliki 11 (a). Zaradi nizke impedance poti je manjša razlika v inducirani napetosti emitorja VLe lahko ustvari izjemno visok krožni tok. To se lahko zgodi na primer, če imajo vzporedno vezani IGBT-ji različne preklopne čase in zato različna razmerja dIC/dt.
Za omejitev tega toka je možna rekonfiguracija vzporedne vezave prikazane na sliki 11 (b). Upornosti vrat so zdaj razdeljene med RG in RE. Na ta način ima dodatna pot večjo upornost, kar omeji potencialno nevaren tok na vrednosti, ki niso kritične za tranzistorje.
Ker bo skupni upor, ki ga vidi krmilnik, vsota RG in RE, jih je treba ustrezno izbrati. Razmerje RE/RG naj bo med 1/5 in 1/10. Da bi dosegli ustrezne omejitve, RE ne sme imeti vrednost nižjo od 0,5Ω.
Zaključek
Ta članek je predstavil nove TRENCHSTOP™ 5 IGBT v konfiguraciji Kelvinovega emitorja v TO-247 4-pin ohišju. Prednost v smislu zmanjšanja preklopne energije v primerjavi s standardnim
TO-247 ohišjem je bila pridobljena iz praktičnih meritev. Količinsko je to bilo ocenjeno, da je preklopna energija za nazivni tok do 20 % nižja.
Članek vključuje tudi splošne namige o izbiri gonilnika, ki se uporablja za pogon novih IGBT-jev, tako da namestite takšne priključke za tranzistorje, v katere lahko priključite tako tranzistorje v 3-pin ali 4-pin ohišjih.
Viri:
[1] Infineon Technologies AG: AN 2013-05, “CoolMOSTM C7 650 V Switch in a Kelvin Source Configuration”
[2] Brucchi, F., “How to Deal with TRENCHSTOP™ 5 IGBT in Power Applications”, Bodo’s Power, October 2013
[3] http://www.infineon.com/cms/en/product/power/gate-driver/eicedrivershigh-voltage-gate-driver-ics-and-boards/gate-driver-ic-eicedriver-compact/channel.html?channel=ff80808112ab681d0112ab6a547004ac
Povzeto po:
Infineon TRENCHSTOP™ 5 IGBT in a Kelvin Emitter Configuration App note.
https://www.infineon.com
