Microchip Technology Inc.
Avtor: Amit Gole, vodja trženja izdelkov za integrirane napajalne rešitve pri podjetju Microchip Technology
IGBT-ji so že dolgo nepogrešljivi v industriji, saj združujejo prednosti visoke moči z enostavnimi mehanizmi krmiljenja.
Nova tehnologija IGBT7 se jasno razlikuje po značilnostih naprav, kot so nižja napetost v prevodni smeri, višje nazivne vrednosti toka, zmogljivost preobremenitve do 175 °C, izboljšano krmiljenje dv/dt in izboljšana zaščitna dioda. V kombinaciji z inovativnim ohišjem z nizko induktivnostjo tehnologija IGBT7 ponuja enostavno uporabo, večjo robustnost, višje gostote moči in izboljšano učinkovitost, hkrati pa zmanjšuje stroške sistema. Vsestranske naprave IGBT7, ki so bistvene za aplikacije pogona motorjev, bodo omogočile razvoj širokega spektra industrij, vključno z letalsko industrijo, obnovljivimi viri energije, sistemi za shranjevanje energije (ESS), podatkovnimi centri ter komercialnimi in kmetijskimi vozili.
Bipolarni tranzistor z izoliranimi vrati (IGBT) je močnostni polprevodniški element s kolektorjem, emitorjem in vrati. Imenuje se bipolarni tranzistor, saj prevajanje poteka zaradi gibanja elektronov in vrzeli. IGBT-ji so gonilna sila za številne aplikacije v močnostni elektroniki, vključno s pretvorniki moči in inverterji. IGBT-ji se pogosto uporabljajo v sistemih in opremi, napajanih iz omrežja, s srednjo ali visoko zmogljivostjo preklapljanja od nekaj kW do MW. Močnostni moduli IGBT so bistveni sestavni deli sodobne močnostne elektronike. Ti moduli krmilijo in pretvarjajo električno energijo v različnih aplikacijah, vključno z industrijskimi pogoni motorjev, sistemi obnovljive energije, električnimi vozili (EV) in elektroenergetskimi omrežji.
Nova generacija IGBT7
Sedma generacija IGBT-močnostnih modulov je zdaj na voljo v sedmih ohišjih v različnih izvedbah. Te naprave se ponašajo z nižjimi vrednostmi VCE (sat) in VF, zmogljivostjo pri preobremenitvi pri TJ 175 °C, za 50 % večjo tokovno zmogljivostjo, izboljšanim nadzorom dv/dt, izboljšano FWD mehkobo in enostavnejšim krmiljenjem v primerjavi s prejšnjimi generacijami. Te lastnosti ponujajo edinstveno vrednostno ponudbo visoke gostote moči, trajnosti, nižjih stroškov sistema, višje učinkovitosti, enostavnosti uporabe in hitrejšega uvajanja na trg.
IGBT7 Trech tehnologija
IGBT Trench7 uporablja tehnologijo Micro-Pattern Trench (MPT), ki jo sestavljajo vzporedne celice z jarkom, ločene s submikronskimi polprevodniškimi otoki, v primerjavi s kvadratnimi celicami z jarkom, ki so se uporabljale v prejšnji generaciji. Slika 1 spodaj prikazuje prerez različnih tehnologij, od punch through do IGBT7. Shranjevanje nosilcev blizu emitorske elektrode se pri celicah IGBT7 trench poveča zaradi manjših razmakov med celicami in ozkih otokov med vrati. To vodi do izboljšanja električne prevodnosti v drift coni, kar posledično drastično zmanjša napetost v prevodni smeri, kar ima za posledico manjše prevodne izgube pri tehnologiji IGBT7.
Slika 2 prikazuje primerjavo različnih generacij IGBT, vključno z generacijami 2, 3, 4 in najnovejšo generacijo IGBT7. IGBT7 ima najnižjo napetost v prevodnem stanju, kar pomeni zmanjšanje za približno 15 do 20 % v primerjavi s prejšnjo generacijo IGBT4. Te nizke izgube v prevodnem stanju omogočajo nizke prevodne izgube, kar posledično poveča učinkovitost pri aplikacijah z nizkimi do srednjimi frekvencami preklapljanja. Poleg tega je IGBT7 opremljen z mehko antiparalelno diodo, ki ima boljše lastnosti rezervnega obnovitvenega toka in nizko napetost v prevodnem stanju (Vf), kar dodatno zmanjša izgube in zagotavlja višjo gostoto moči.
IGBT7 portfelij
Močnostni moduli IGBT7 so na voljo v standardnih 62-milimetrskih ohišjih za konfiguracijo faznega kraka ali v polmostu v ohišju D3 ter za konfiguracijo z enim stikalom v ohišjih D4. Microchip ponuja ohišja z nizko induktivnostjo in nizkim profilom v velikosti 62 mm, kot so SP6C, SP6P in SP6LI, ki imajo zmanjšano višino profila in nižjo induktivnost ohišja ter omogočajo visoko gostoto moči z visoko zanesljivostjo. Nižje ravni moči se lahko dosežejo z manjšimi ohišji, kot sta SP1F in SP3F, ki so prav tako ohišja z nizkim profilom, na voljo v različnih konfiguracijah. Nazivne vrednosti segajo do 900 A pri 1200 V in 1700 V.
Nižja napetost v prevodnem stanju VCE (sat) in nižja Vf z izboljšanim FWD
Pri 15- do 20-odstotnem znižanju napetosti v prevodnem stanju se izgube znatno zmanjšajo v aplikacijah z zmerno preklopno frekvenco, hkrati pa se zmanjšajo prevodne izgube pri dani omejitvi dv/dt in izgube v antiparalelnih diodah.
Prevodne izgube pri IGBT-jih so neposredno sorazmerne z napetostjo VCE (sat) zadevne IGBT-tehnologije. IGBT7 ima pri TJ 175 °C tipično VCE (sat) okoli 1,77 V, kar je precej nižje od VCE (sat) pri IGBT4, ki znaša 2,1 V pri TVJ 150 °C. To zmanjšanje VCE (sat) za 15 % znatno zmanjša prevodne izgube.
Poleg tega zmanjšana napetost v prevodni smeri antiparalelne diode prispeva k zmanjšanju izgub v diodi, zato izboljšana dioda v primerjavi z IGBT4 zmanjša napetost v prevodni smeri za 100 mV, kar dodatno zmanjša prevodnost.
Skupna prevodna izguba = prevodna izguba IGBT-ja + prevodna izguba diode
Skupna stikalna izguba = stikalna izguba IGBT-ja + stikalna izguba diode
Skupna izguba moči = skupna stikalna izguba + skupna izguba moči
Učinkovitost = izhodna moč/vhodna moč = vhodna moč + skupna izguba moči/vhodna moč
Meja preobremenitve pri TVJ (op) znaša 175 °C
Najvišja temperatura spoja 175 °C v primerjavi s 150 °C (IGBT4), kar je ključnega pomena za pogone motorjev pri ponavljajočem se kratkotrajnem preobremenjenem delovanju. Močnostni moduli IGBT7 so zasnovani za zahtevne aplikacije, saj lahko v preobremenjenih pogojih prenesejo temperaturo spoja do 175 °C, v nasprotju z 150 °C pri IGBT4. Ta napredek 25 stopinj ne prinaša le ogromnih prednosti v zanesljivosti in trajnosti močnostnega pretvornika pogona, ampak lahko zaradi visokega razmerja med zmogljivostjo in ceno IGBT7 v primerjavi z drugimi tehnologijami prinese tudi prihranke pri stroških.
Pogoni motorjev s frekvenčnim pretvornikom, ki se uporabljajo v številnih aplikacijah, kot so gospodarska in kmetijska vozila (CAV), industrijski obrati in železniški promet, kjer je pomembno, da prenesejo kratkotrajno preobremenitev ob delovanju pri normalni delovni temperaturi najmanj 1 minuto/60 sekund.
Enako velja za naprave, kot so naprave za neprekinjeno napajanje (UPS), pri katerih so kratkotrajne preobremenitve ključnega pomena za specifikacije napajanja, pri čemer se lahko tipična trajanja preobremenitev močno razlikujejo, na primer 110 % za 10 minut, 125 % za 120 sekund in 150 % za 15 sekund.
V teh daljših časovnih intervalih inverter in posledično tudi stikala, prevzemajo večji tok, kar povzroča višje temperature na spojih. Močnostno stikalo mora biti že samo po sebi sposobno vzdržati takšno preobremenitev ter obrabo, ki jo povzroča ponavljajoča se narava delovanja, skozi celotno življenjsko dobo. Ponavljajoče se preobremenitve so del industrijskih uporab motorjev in jih je treba upoštevati pri zasnovi inverterja in izbiri ustreznih močnostnih polprevodniških stikal. Za dolgotrajno in uspešno delovanje je pomembno ohraniti trajnost stikala pri soočanju s temi intervali preobremenitve.
Izboljšan nadzor nad dv/dt
Visoka stopnja obvladljivosti (možnost spreminjanja dv/dt s prilagajanjem vrednosti upora vrat (Rg)), da se prilagodi zahtevam glede izolacije motorja ali omejitvam elektromagnetnih motenj (EMI). Pretvorniki, ki se uporabljajo za pogon motorja, uporabljajo signale pulzno širinske modulacije (PWM), ki ne proizvajajo sinusnih izhodnih valovnih oblik. Poleg harmonikov nižjega reda so na te valovne oblike pripeti tudi strmi napetostni vrhovi z eno amplitudo. Izolacija med navitji, med fazami in ozemljitvijo navitij statorja je izpostavljena nastalim dielektričnim napetostim.
Visoka stikalna frekvenca pomeni daljše in strmejše čase vzpona impulzov. Ta daljši čas vzpona impulzov stikal povzroča visoko vrednost dv/dt, ki jo dodatno poslabšajo dolgi kabli, uporabljeni v pogonskih sistemih motorjev od pretvornika do motorja, kar povzroča višje vršnje napetosti neposredno na priključkih motorja. Čas vzpona lahko poškoduje tudi ležaje zaradi parazitskih tokov, ki tečejo iz rotorja v ohišje motorja. Ti nevarno visoki napetostni sunki zaradi časa vzpona lahko povzročijo iskrenje in sčasoma okvaro izolacije. Daljši motorni kabli povzročajo celo višje prekoračitve napetosti z najvišjimi vrednostmi, ki so do petkrat višje od delovne napetosti sistema (> 2000 V za sisteme 415 V). Visoki napetostni sunki lahko povzročijo preboj izolacije, kar ima za posledico kratke stike med fazami ali med navitji, s čimer sledi izklop zaradi prenapetosti s strani senzorja pogona.
Zato proizvajalci motorjev odločno priporočajo, da se v najslabšem primeru na priključku pretvornika za trifazne motorje s tipično napetostjo 380/415/440 VAC ne preseže vrednost dv/dt 5 kV/µs.
Čim daljša je povezava med motorjem in pretvornikom, tem večja je verjetnost pojava koničnih vrednosti dv/dt in strmine dv/dt, kar bi lahko povzročilo dvig napetosti na priključku motorja na nevarne ravni. Pomembno je, da se napetostni gradient dv/dt optimizira v skladu z zahtevami glede izolacije motorja, hkrati pa je treba skrbno načrtovati splošni industrijski pogon. Za doseganje te optimizacije IGBT7 kaže najvišjo raven popolnosti pri nadzoru zmožnosti inverterja, da spreminja dv/dt s prilagajanjem upora vrat (Rg).
Ko se Rg poveča, se zmanjšata tako dv/dt pri vklopu kot tudi pri izklopu, medtem ko se dv/dt pri vklopu znatno zmanjša, če je Rgon v optimalnem območju; je vrednost Rg treba optimirati, da se doseže želeni dv/dt < 5 kV/µs.
Podjetje Microchip lahko na posebno zahtevo zagotovi graf Rg in relativne vrednosti dv/dt za optimizacijo dv/dt, kar odpravlja glavne skrbi inženirjev za načrtovanje in aplikacije na področju industrijskih pogonov motorjev.
Enostavno in brezskrbno krmiljenje vrat
CGE (kapacitivnost med vrati in emitorjem) in CGC (kapacitivnost med vrati in kolektorjem) sta uravnoteženi, da se IGBT7 zagotovi popoln nadzor nad dv/dt ter optimizira preklopni val, CGE pa je zasnovan tako, da preprečuje parazitske učinke pri vklopu, zaradi česar je mogoče za izklop uporabiti prehod skozi ničelno napetostjo (unipolarno napajanje gonilnika vrat).
Višje tokovne zmogljivosti
Čip IGBT7 ima že po svoji naravi večjo tokovno zmogljivost kot prejšnja generacija IGBT4. To omogoča večjo izhodno moč pri danih dimenzijah, kar pomeni preskok v velikosti ohišja, zaradi česar je mogoče namesto večjih ohišij uporabiti manjša. S tem se poveča tudi skupna gostota moči, saj je mogoče na dani površini stisniti več moči, kar preprečuje vzporedno vezavo več stikal, zmanjša kompleksnost ter izboljša zanesljivost in trajnost. Višja gostota moči zmanjša stroške seznama materialov (BoM) za napajalni sistem in omogoča hitrejši vstop na trg.
Ohišja z manjšo induktivnostjo in nižjim profilom
Ohišja podjetja Microchip z nizko parazitsko induktivnostjo zmanjšujejo prekomerno naraščanje napetosti, s čimer povečujejo vzdržljivost in zanesljivost. Nižji profil omogoča vgradnjo večje moči v manjšem prostoru, kar izboljša gostoto moči pri uporabi s tehnologijo IGBT7.
Z nižjo napetostjo prekoračitve je za uporabnika relativno lažje uporabiti 1200-voltne module za enosmerno vezje z napetostjo do 700 do 800 V namesto 1700-voltnih, če je splošna zasnova pretvornika nizkoinduktivna z vstavljenim vodilom. To prinaša znatne prihranke pri stroških ne le modulov, ampak tudi plošče za krmiljenje tranzistorjev, kar omogoča zasnovo cenovno ugodnega napajalnega sistema.
Značilnosti IGBT7 in prednosti za končnega uporabnika omogočajo, da so ti močnostni moduli vsestranski za številne aplikacije in megatrende, od aplikacij z nizko do srednjo stikalno frekvenco. Enostavna uporaba brez zapletenega mehanizma za krmiljenje vrat omogoča brezskrbno načrtovanje in odpravlja potrebo po vlaganju virov v razvoj novih krmilnikov. Različne topologije se lahko brez težav uporabijo kot gradniki za pretvornike v številnih aplikacijah, kar zagotavlja fleksibilnost pri načrtovanju in hitrejši vstop na trg.
Napajalni moduli IGBT7 s svojo vsestranskostjo omogočajo številne uporabe, kot so sončna in vetrna energija, pogoni motorjev, sistemi za shranjevanje energije (ESS), komercialna in kmetijska vozila (CAV), podatkovni centri, železnice, e-mobilnost, prenos in distribucija ter letalstvo, ter strankam prinašajo velike prednosti v smislu moči, natančnosti in zmogljivosti.
Reference:
https://www.fluke.com/en-us/learn/blog/power-quality/cable-length-vfd-motors
https://www.nema.org/docs/default-source/standards-document-library/mg-1-part-31-watermark.pdf?sfvrsn=649fb42f_1
Application Manual Power Semiconductors (Semikron)
TRENCHSTOP™ 1200 V IGBT7 T7 Application Note (Infineon) (AN2018-14)
Amit’s Tech Corner, Microchip Aviation and Defense Newsletter Edition 23 Dec 2024
Opomba: Ime in logotip Microchip sta registrirani blagovni znamki podjetja Microchip Technology Incorporated v ZDA in drugih državah. Vse druge blagovne znamke, ki so morda tu omenjene, so last njihovih podjetij.
