Moduły IGBT SiC o napięciu 1200V do zastosowań o dużej częstotliwości pracy

Moduły IGBT SiC o napięciu 1200V do zastosowań o dużej częstotliwości pracy

Specjalne moduły IGBT do pracy o wysokiej częstotliwości przełączania zostały wprowadzone na rynek w ciągu ostatnich lat. Typowe zastosowania to generatory rentgenowskie, skanery CT, nagrzewnice indukcyjne, spawarki, cięcie plazmowe lub falowniki do izolowanego lub bezkontaktowego przetwarzania energii elektrycznej.

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

Częstotliwość przełączania w tych aplikacjach jest zazwyczaj wyższa niż 20 kHz, przekraczając zakres, dla którego optymalizowane są standardowe przemysłowe moduły IGBT. Od kilku lat Mitsubishi Electric oferuje specjalną serię modułów IGBT dedykowaną tym aplikacjom o wysokiej częstotliwości, zwaną serią NFH. W celu zmniejszenia strat przełączania, wykorzystuje ona układy IGBT z optymalnym kompromisem między napięciem przewodzenia Vce(sat) a stratami wychładzania Eoff. Jako kolejny krok innowacyjny Mitsubishi Electric wprowadza technologię czipów z węglika krzemu do tego sprawdzonego projektu serii NFH.

Podejście hybrydowe dla modułów SiC-IGBT

Została opracowana seria podwójnych modułów 1200V o prądach znamionowych od 100A do 600A [1], wykorzystujących diody Schottky'ego z węglika krzemu (SBD). To podejście nosi nazwę modułów "hybrydowych SiC". W celu lepszego zrozumienia stosowanej terminologii, proszę odnieść się do Rysunku 1. Hybrydowy moduł SiC zawiera IGBT na bazie krzemu w połączeniu z diodami Schottky'ego na bazie węglika krzemu. Czipy IGBT są takie same zarówno w tradycyjnej serii NFH, jak i w nowej serii hybrydowej SiC NFH.

Rysunek 1: Ewolucja technologii SiC w modułach mocy

Tabela 1: Line-up

Rysunek 2: Line-up i opisy obudowy

Podstawowe kształty przebiegów przełączania przedstawione są na Rysunku 1. Ze względu na to, że diody Schottky'ego jako półprzewodniki unipolarne nie posiadają żadnego ładunku odzyskiwania odwrotnego, nie ma strat związanych z odzyskiem odwrotnym. Brak prądu odzysku odwrotnego diody prowadzi natomiast do znacznego zmniejszenia strat włączania IGBT.

Dalsze zmniejszenie całkowitej straty mocy można osiągnąć, jeśli zarówno aktywny przełącznik, jak i dioda swobodnego przepływu, będą wykonane z węglika krzemu. To podejście nazywane jest modułem "Full SiC".

Line-up i opisy obudowy

Line-up nowej serii hybrydowej SiC NFH przedstawiono w tabeli 1, a opisy obudowy znajdują się na Rysunku 2. W przypadku średnich i dużych obudów główne złącza znajdują się po bokach obudowy. Ułożenie to umożliwia zastosowanie laminowanej struktury głównego złącza wewnątrz modułu w celu zmniejszenia indukcyjności wewnętrznej obudowy Lint. Dla wszystkich prądów znamionowych średniej i dużej wielkości obudów wewnętrzna indukcyjność obudowy mieści się w zakresie 18...22nH (określona między złączami głównymi P i N).

Zachowanie podczas przełączania

Przebiegi włączania w warunkach obciążenia indukcyjnego dla tradycyjnego modułu NFH CM600DU-24NFH i nowego hybrydowego modułu SiC CMH600DU-24NFH są przedstawione na Rysunku 3. Biorąc pod uwagę, że oba typy modułów wykorzystują dokładnie te same czipy IGBT, różnica w przebiegu przełączania jest wynikiem różnicy w zachowaniu diody swobodnego przepływu. Kluczowa różnica między obiema krzywymi prądowymi może być wyjaśniona brakiem ładunku odzyskiwania odwrotnego (a co za tym idzie prądu odzysku odwrotnego diody) w hybrydowym module SiC CMH600DU-24NFH, ponieważ dioda Schottky'ego jest półprzewodnikiem unipolarnym. W rezultacie zarówno straty wychładzania diody swobodnego przepływu, jak i straty włączania IGBT podczas przełączania obciążenia indukcyjnego są drastycznie zmniejszone, co można zobaczyć na diagramach energii przełączania przedstawionych na Rysunkach 4 i 5.

Porównanie wydajności strat

Symulacja strat mocy w warunkach pracy przemiennika (twardy rezonans) z modulacją szerokości impulsów sinusoidalnych ujawnia duży wpływ zastosowania diod Schottky'ego SiC zamiast konwencjonalnych diod krzemowych w modułach serii NFH: przy fc=30 kHz moduł hybrydowy SiC ma tylko połowę całkowitych strat w porównaniu z modułem na bazie krzemu, jak pokazano na Rysunku 6.

Zależność całkowitej straty mocy modułu od częstotliwości przełączania PWM fc przedstawiona jest na Rysunku 7. Z tego diagramu można wywnioskować, że całkowita straty mocy nowego hybrydowego typu SiC CMH600DU-24NFH przy fc=50 kHz jest na tym samym poziomie co modułu na bazie pełnego Si przy fc=17 kHz. Biorąc pod uwagę, że oba moduły CMH600DU-24NFH i CM600DU-24NFH mają taką samą zdolność do obsługi straty mocy (ten sam rozmiar płytki podstawowej i tym samym Rth(c-f); ten sam Rth(j-c) dla IGBT), wydaje się możliwe potrojenie częstotliwości przełączania fc, jednocześnie utrzymując straty mocy modułu na tym samym poziomie.

Rysunek 3: Przebiegi prądu Ic przy włączaniu

Rysunek 4: Energia włączania IGBT E(on) vs. prąd

Zalety zastosowania

Opisane zmiany w wydajności strat przełączania w warunkach twardego przełączania oferują podstawowe korzyści systemowe w zasadzie w dwóch kierunkach przy użyciu nowej serii hybrydowej SiC NFH: najbardziej oczywistym jest możliwość zwiększenia częstotliwości przełączania fc. Wielkość elementów indukcyjnych w systemie elektroniki mocy jest często determinowana przez częstotliwość przełączania. Zwiększenie fc może pomóc w zmniejszeniu wielkości (i kosztów) tych elementów indukcyjnych. Możliwa jest również poprawa dynamicznej odpowiedzi systemu elektroniki mocy poprzez zwiększenie fc. Innym kierunkiem jest poprawa efektywności energetycznej systemu elektroniki mocy. Jest to interesująca opcja zwłaszcza w aplikacjach, gdzie niska efektywność systemu jest karana. Ogólnie redukcja strat mocy rozproszonej w modułach IGBT pomoże zmniejszyć rozmiar radiatora. Jest to interesujące dla takich aplikacji, w których radiator jest ograniczającym czynnikiem dla zmniejszenia rozmiaru systemu. Spodziewana jest również inna korzyść wynikająca z zastosowania nowej serii hybrydowej SiC w aplikacjach z miękkim przełączaniem. Brak ładunku odzyskiwania odwrotnego podczas wyłączania diody może przyczynić się do dalszego zmniejszenia strat mocy.

Rysunek 5: Energia wyłączania diody swobodnego przepływu vs. prąd

Rysunek 6: Symulacja strat mocy (praca przemiennika z modulacją PWM sinus)

Podsumowanie i perspektywy

Przy użyciu nowych hybrydowych modułów IGBT SiC Mitsubishi możliwe jest drastyczne zmniejszenie strat przełączania. Wykorzystanie diod Schottky'ego SiC zamiast konwencjonalnych diod krzemowych jako diod swobodnego przepływu w modułach serii NFH eliminuje ładunek odzyskiwania odwrotnego podczas wyłączania diody swobodnego przepływu. W warunkach pracy przemiennika z twardym rezonansem pozwala to zwiększyć częstotliwość przełączania o współczynnik 2...3 w porównaniu z modułami IGBT na bazie krzemu.

Rysunek 7: Strata mocy w funkcji częstotliwości przełączania PWM fc

Można się również spodziewać korzyści aplikacyjnych podczas stosowania nowych hybrydowych modułów SiC w aplikacjach z miękkim przełączaniem z powodu braku ładunku odzyskiwania odwrotnego podczas wyłączania diody. Konieczne są dalsze badania w tej dziedzinie.

Literatura

[1] "Mitsubishi Electric to Ship Sample Hybrid SiC Power Semiconductor Modules for High-frequency Switching Applications"; Komunikat prasowy Mitsubishi Electric Corporation; Tokio, 15 maja 2014 roku