Лучшие в своем классе: силовые модули EconoDUAL 3 с IGBT7

12 декабря 2019

управление двигателемответственные примененияInfineonстатьядискретные полупроводники

Клаус Фогель, Ян Баурихтер, Оливер Лензе, Ульрих Нольтен, Александер Филлипоу, Филипп Росс, Андреас Шмаль, Кристоф Урбан (Infineon Technologies) 

В статье рассмотрены технические особенности новых силовых модулей EconoDUAL™ 3 производства Infineon, которые объединяют в одном корпусе TRENCHSTOP™ IGBT7 и обратные диоды, выполненные по технологии emitter-controlled 7 (EC7-диоды).

Новое поколение IGBT разрабатывалось с целью увеличения плотности мощности силовых инверторов и снижения затрат на их производство. При внедрении новой технологии было крайне важно сохранить корпусное исполнение силовых модулей для того, чтобы облегчить модернизацию существующих инверторных систем и обеспечить быстрый выход устройств на рынок. Кроме того, динамические характеристики новых IGBT и диодов должны были соответствовать характеристикам выбранного корпуса. Дело в том, что благодаря новым силовым ключам максимальный ток модуля возрастает, а снизить паразитную индуктивность корпуса достаточно сложно. В результате при большой скорости переключений могут возникать, например, паразитные осцилляции. Улучшение параметров корпуса является важным фактором, позволяющим увеличить токовую нагрузку и расширить диапазон рабочих температур.

Новые силовые модули обеспечивают два очевидных преимущества:

  • увеличение выходного тока инвертора при тех же габаритных размерах;
  • возможность ухода от параллельного включения нескольких IGBT для достижения требуемого выходного тока.

Оба этих фактора позволяют упростить инвертор и снизить его стоимость.

Назначение

Одним из основных приложений для нового поколения IGBT7 являются GPD-приводы общего назначения (General-Purpose Drive, GPD) с выходной мощностью более 90 кВт. Для того чтобы обеспечить улучшение характеристик по сравнению с предшествующей технологией IGBT4, было важно учесть все особенности данного конкретного приложения.

Обычно в GPD-приводах с выходной мощностью более 90 кВт используется частота коммутаций в диапазоне 2…2,5 кГц [1, 2]. В большинстве случаев производители инверторов применяют передовые методы модуляции, например, прерывистую широтно-импульсную модуляцию (Discontinuous Pulse Width Modulation, DPWM, [3]), которая позволяет вдвое снизить динамические потери по сравнению с традиционной непрерывной модуляцией СPWM [4].

В настоящем исследовании для оценки новой технологии IGBT7 применялась традиционная непрерывная широтно-импульсная модуляция с частотой 1…2,5 кГц. Таким образом, при использовании DPWM-модуляции результаты будут не хуже даже при более высоких частотах коммутации.

Еще одной важной особенностью проведенного исследования было использование теплоотвода из экструдированного алюминия с воздушным охлаждением при максимальной температуре окружающей среды 40°C.

Номинальный ток GPD-привода рассчитывался с учетом возможного возникновения импульсных токовых перегрузок. Эта особенность накладывает дополнительные ограничения на допустимую рабочую температуру IGBT.

Кроме того, чтобы обеспечить максимальный срок службы обмоток двигателя, снизить коррозию вала и уменьшить уровень электромагнитных помех, максимальная скорость нарастания напряжения при коммутации (du/dt10-90%) была ограничена на уровне 5 кВ/мкс [5].

В соответствии с перечисленными параметрами была промоделирована работа системы с силовыми модулями FF60012RME4_B72. Результаты моделирования представлены на рисунке 1.

Рис. 1. Распределение потерь для FF600R12ME4_B72 при токе 350 А

Рис. 1. Распределение потерь для FF600R12ME4_B72 при токе 350 А

Из представленной диаграммы видно, что статические потери проводимости IGBT и диода преобладают над динамическими потерями. При 1 кГц эти потери составляют 83%, а при 2,5 кГц – 65% от всех потерь модуля. Таким образом, если учесть, что в случае с GPD-приводами скорость переключений ограничена на уровне 5 кВ/мкс, то основным способом повышения эффективности силовых модулей остается снижение статических потерь.

Перечисленные выше особенности были учтены при разработке нового поколения IGBT7. Давайте ознакомимся с основными улучшениями, реализованными в новой технологии.

Технология 1200 В TRENCHSTOP™ IGBT7 средней мощности

Основные положения

Недавно была представлена технология 1200 В TRENCHSTOP™ IGBT7, оптимизированная для приложений малой мощности с номинальным током до 200 А [6]. Данная статья посвящена новой технологии TRENCHSTOP IGBT7, которая предназначена для приложений средней мощности. Новые IGBT7 были оптимизированы для работы в составе модулей EconoDUAL™ 3 с номинальными токами до 900 А. Таким образом, номинальный ток нового поколения EconoDUAL™ 3 оказывается на 50% выше, чем у предыдущего поколения EconoDUAL™ 3 FF600R12ME4_B72 с током до 600 А. Целью создания IGBT7 была разработка силового ключа, который бы имел динамические потери на уровне IGBT4, но обладал бы меньшими потерями проводимости и еще более высокой стойкостью к коротким замыканиям. Для решения этой задачи была проведена оптимизация технологических процессов. Одним из нововведений стало использование вспомогательных микро-канавок (Micro-Pattern Trench, MPT), как показано на рисунке 2. Пунктиром выделены неактивные элементы, которые могут быть использованы для размещения затвора или эмиттера [6].

Рис. 2. Структура trench-ячейки с активным каналом в центре

Рис. 2. Структура trench-ячейки с активным каналом в центре

Структура транзистора состоит из множества параллельных каналов, разделенных субмикронными канавками с активными затворами, неактивными канавками и канавками с эмиттерами. MPT-IGBT позволяют оптимизировать схему контактов для достижения быстрой рекомбинации носителей в процессе переключения, а также для уменьшения прямого падения напряжения в области дрейфа [7].

Статические потери

На рисунке 3 представлены нормированные выходные характеристики технологии IGBT7 и IGBT4 для температур 25°C, 125°C и 150°C. Кроме того, в случае с TRENCHSTOP™ IGBT7 дополнительно приводится выходная характеристика для 175°C.

Рис. 3. Сравнение нормализованных выходных характеристик 1200 В TRENCHSTOP IGBT 4 и 1200 В TRENCHSTOP IGBT 7 при Vge = 15 В и различных рабочих температурах

Рис. 3. Сравнение нормализованных выходных характеристик 1200 В TRENCHSTOP IGBT4 и 1200 В TRENCHSTOP IGBT7 при Vge = 15 В и различных рабочих температурах

По сравнению с силовыми ключами IGBT4, в транзисторах IGBT7 наблюдается снижение напряжения насыщения «коллектор-эмиттер» Vce sat с 2,05 В до 1,70 В. То есть при номинальном токе напряжение уменьшилось на 350 мВ, что свидетельствует об эффективной оптимизации силового ключа.

Удобство регулирования du/dt10-90%

Помимо статических характеристик большую роль с точки зрения эффективности играют и динамические потери силовых IGBT-модулей. Это, в первую очередь, актуально для GPD-приводов, в которых скорость нарастания напряжения обычно ограничена значением 5 кВ/мкс. Скорость нарастания напряжения du/dt10-90% определяется сопротивлением резистора в цепи затвора (Rg,ext). Обычно при включении транзистора скорость нарастания du/dt10-90% оказывается максимальной при низких температурах, например, 25°C, и при малых токах, например, 10% от номинального тока (Inom). При выключении транзистора максимальная скорость нарастания напряжения наблюдается при высоких токах, например, при номинальном токе (Inom). На рисунке 4 представлена зависимость du/dt10-90% от величины сопротивления в цепи затвора (Rg,ext) при указанных выше условиях для TRENCHSTOP ™ IGBT4 и IGBT7.

Рис. 4. Зависимость du/dt10-90% при включениях и выключениях транзистора от величины сопротивления в цепи затвора (Rg,ext) для TRENCHSTOP™ IGBT 4 (FF600R12ME4_B72) и IGBT 7 в EconoDUAL™ 3 (FF900R12ME7_B11)

Рис. 4. Зависимость du/dt10-90% при включениях и выключениях транзистора от величины сопротивления в цепи затвора (Rg,ext) для TRENCHSTOP™ IGBT4 (FF600R12ME4_B72) и IGBT7 в EconoDUAL™ 3 (FF900R12ME7_B11)

Из представленных графиков видно, что зависимость du/dt10-90% от сопротивления Rg,ext для IGBT7 более сильная, чем для IGBT4. Это значит, что управление величиной du/dt10-90% в случае с IGBT7 оказывается более простым и удобным.

Перенапряжения и мягкие переключения

Значительное снижение статических потерь и рост максимальной рабочей температуры IGBT-транзисторов (Tvj,op) со 150°C (IGBT4) до 175°C (IGBT7), позволяет увеличить коммутируемый ток, что, в свою очередь, приводит к увеличению скорости изменения тока (di/dt) при переключениях. Чтобы сохранить ту же скорость переключений при более высоком токе, крайне важно уменьшить паразитную индуктивность. Это требование можно формализовать в виде формулы 1 [8]:

$$L_{\sigma }\times I=const\qquad{\mathrm{(}}{1}{\mathrm{)}}$$

Паразитная индуктивность оказывает наибольшее негативное влияние при отключении IGBT.

Выброс напряжения «коллектор-эмиттер» описывается формулой 2:

$$\Delta U=L_{\sigma }\times \frac{di}{dt}\qquad{\mathrm{(}}{2}{\mathrm{)}}$$

Таким образом, перенапряжение оказывается прямо пропорционально паразитной индуктивности и скорости изменения тока. Форма тока также зависит от напряжения «коллектор-эмиттер». Чем выше приложенное напряжение, тем скорее происходит рассасывание заряда при выключении транзистора, и тем меньше становится токовый хвост [8]. Это означает, что паразитная индуктивность, вызывая перенапряжение, ускоряет падение тока, которое снова увеличивает перенапряжение.

Кроме того, высокие значения di/dt и L могут привести к появлению колебаний и электромагнитных помех (Electromagnetic Interference, EMI). Это является следствием возбуждения резонансного контура, состоящего из паразитной индуктивности силового контура и емкости силового ключа.

Если величина паразитной индуктивности оказывается слишком большой, то генерируемый при выключении выброс напряжения может превысить пробивное напряжение силового ключа и привести к аварийному отказу модуля. Наихудшими условиями работы, при которых наблюдаются максимальные выбросы напряжения, являются коммутации при низких температурах (из-за высокой скорости переключения), коммутации при высоких напряжениях шины, коммутации при значительной токовой нагрузке или коротких замыканиях. Существует несколько способов борьбы с выбросами напряжения, например, оптимизация сопротивления резистора в цепи затвора, добавление демпфирующих конденсаторов, добавление активных помехоподавляющих цепей, а также использование транзисторов с меньшей скоростью переключений. Однако эти методы имеют ограничения. Снабберные конденсаторы отличаются высокой стоимостью и могут создавать дополнительные колебания тока при выравнивании напряжения с развязывающими конденсаторами, подключенными к шине. Активные помехоподавляющие цепи занимают много места.

Транзисторы IGBT7 позволяют коммутировать токи до 900 А, однако паразитная индуктивность не может быть существенно изменена. Поэтому процесс выключения IGBT пришлось адаптировать соответствующим образом. В результате транзисторы TRENCHSTOP™ IGBT7 способны отключать токовую нагрузку 900 A при тех же значениях напряжения Vce,max, что и транзисторы IGBT4 в ситуации отключения нагрузки 600 A при практически идентичной скорости изменения тока di/dt (рисунок 5).

Рис. 5. Зависимость максимального допустимого напряжения Vce,max от сопротивления Rg,off при отключении нагрузки 900 A для TRENCHSTOP™ IGBT 7 и 600 A для IGBT 4

Рис. 5. Зависимость максимального допустимого напряжения Vce,max от сопротивления Rg,off при отключении нагрузки 900 A для TRENCHSTOP™ IGBT7 и 600 A для IGBT4

На рисунке 6 показаны диаграммы выключения FF600R12ME4_B72 и FF900R12ME7_B11 при номинальном токе и температуре 25°C. В таких условиях наблюдается наибольшее значение di/dt и, следовательно, достигается максимальное значение Vce max. В случае с IGBT7 выполнялась коммутация нагрузки 900 А и использовался резистор затвора Rg,off = 2,4 Ом. В случае с IGBT4 коммутировалась нагрузка 600 А, а сопротивление резистора затвора составляло Rg,off = 6,8 Ом. В обоих случаях наблюдается наибольшее значение di/dt и, следовательно, наибольшее значение Vce max.

Рис. 6. Осциллограммы выключения FF600R12ME4_B72 при Rg,off = 6,8 Ом и FF900R12ME7_B11 при Rg,off = 2,4 Ом

Рис. 6. Осциллограммы выключения FF600R12ME4_B72 при Rg,off = 6,8 Ом и FF900R12ME7_B11 при Rg,off = 2,4 Ом

Как видно из осциллограмм, характер переключения транзистора TRENCHSTOP™ IGBT7 оказывается таким же, как и у IGBT4, однако коммутируемый ток для него на 50% выше.

Динамические характеристики

На рисунке 7 представлены графики зависимости потерь на выключение (Eoff) от тока коллектора при различных температурах для IGBT4 и IGBT7.

Рис. 7. Зависимость потерь на выключение (Eoff) для FF600R12ME4_B72 и FF900R12ME7_B11

Рис. 7. Зависимость потерь на выключение (Eoff) для FF600R12ME4_B72 и FF900R12ME7_B11

На практике уменьшение напряжения насыщения и ограничение скорости переключений приводит к увеличению потерь при отключении (при том же токе коллектора). Следовательно, увеличение Eoff для FF900R12ME7_B11 на 15…20% по сравнению с FF600R12ME4_B72 было вполне предсказуемым. При проведении испытаний сопротивления в цепи затвора были выбраны, исходя из данных, представленных в документации, что позволило выполнять переключения без колебаний при 25°C. При этом значения du/dt (рисунок 3) для FF600R12ME4_B72 и FF900R12ME7_B11 практически совпадали.

В отличие от Eoff, потери на включение (Eon) при одном и том же токе коллектора для IGBT7 оказались ниже, чем для IGBT4 (рисунок 8). В результате общие потери на переключения (Etot), которые определяются суммой Eon и Eoff, оказываются очень близкими по значению.

Рис. 8: Зависимость потерь на включение (Eon) для FF600R12ME4_B72 и FF900R12ME7_B11. На графике также представлена зависимость суммарных потерь (Etot) от тока коллектора

Рис. 8: Зависимость потерь на включение (Eon) для FF600R12ME4_B72 и FF900R12ME7_B11. На графике также представлена зависимость суммарных потерь (Etot) от тока коллектора

В завершение данного раздела следует рассмотреть типовые осциллограммы включения FF900R12ME7_B11 при токе коллектора 900 А для температур 25°С и 175°С (рисунок 9).

Рис. 9. Осциллограммы включения EconoDUAL™ 3 FF900R12ME7_B11 при 25°C и 175°C

Рис. 9. Осциллограммы включения EconoDUAL™ 3 FF900R12ME7_B11 при 25°C и 175°C

Как и ожидалось, повышение температуры привело к уменьшению скорости изменения тока (di/dt) и, следовательно, к уменьшению выброса напряжения, связанного с наличием паразитной индуктивности. Кроме того, при росте температуры происходит увеличение заряда восстановления диода, о чем свидетельствует увеличенный выброс напряжения. Подробное рассмотрение работы диодов выполняется в следующем разделе.

Структура ячеек IGBT7 обеспечивает достаточную устойчивость к коротким замыканиям для стандартных GPD-приводов. Инверторы, построенные на базе IGBT7, способны выдерживать импульсные токовые перегрузки длительностью более 8 мкс при температурах до 150°C и импульсы более 6 мкс при температурах до 175°C.

EC7-диоды

С одной стороны, повышение эффективности IGBT является обязательным условием для развития силовых модулей. С другой – одного только совершенствования IGBT оказывается недостаточно. Для достижения максимальной выходной мощности необходимо также улучшать характеристики обратных диодов. Диоды должны быть оптимизированы таким образом, чтобы их восстановление было достаточно мягким при одновременном сохранении низкого уровня потерь. Мягкость восстановления диодов имеет важное значение при малых токах, например 0,1 × Inom. На рисунке 10 представлены осциллограммы переключений диодов при 25°C для FF600R12ME4_B72 (технология emitter-controlled HE, ECHE-диоды) и FF900R12ME7_B11 (технология emitter-controlled 7, EC7-диоды).

Рис. 10. Осциллограммы переключения диодов для FF600R12ME4_B72 (технология emitter-controlled HE) и FF900R12ME7_B11 (технология emitter-controlled 7)

Рис. 10. Осциллограммы переключения диодов для FF600R12ME4_B72 (технология emitter-controlled HE) и FF900R12ME7_B11 (технология emitter-controlled 7)

Из предложенных осциллограмм становится ясно, что ECHE-диоды нельзя использовать, если сопротивление резистора в цепи затвора оказывается менее 1,5 Ом. В таких случаях отключение диода происходит при более низком Rg,on, например, 1,0 Ом, как показано на нижнем графике рисунка 10. В то же время EC7-диоды могут использоваться даже при Rg,on = 0,51 Ом, не вызывая никаких проблем при коммутациях.

Что касается потерь на восстановление Erec, то диоды обеих технологий показывают примерно равные результаты (рисунок 11), хотя скорость нарастания тока di/dt для EC7-диодов оказывается на 26…31% выше, чем ECHE-диодов. На рисунке 11 также представлены ВАХ диодов при прямом смещении.

Рис. 11. Зависимость потерь на восстановление от прямого тока диода при различных температурах для FF600R12ME4_B72 и FF900R12ME7_B11. На дополнительном графике представлены прямые ветви ВАХ диодов

Рис. 11. Зависимость потерь на восстановление от прямого тока диода при различных температурах для FF600R12ME4_B72 и FF900R12ME7_B11. На дополнительном графике представлены прямые ветви ВАХ диодов

Корпус и температурные характеристики кристалла

Адаптация корпуса силового модуля

Новая технология позволяет увеличить номинальный ток на 50% по сравнению с предыдущим поколением силовых модулей. Однако для работы с более высоким током необходима некоторая адаптация корпуса. Это, в первую очередь, касается силовых выводов. Для решения поставленной задачи был разработан новый корпус. Кроме того, конструкция модуля была изменена так, чтобы улучшить токовую пропускную способность силовых клемм.

Температурные характеристики кристалла IGBT и FWD

Максимальная температура перехода Tvj op для IGBT4 ограничена значением 150°C вне зависимости от того, работает транзистор с постоянной номинальной нагрузкой или с импульсными перегрузками. В то же время транзисторы IGBT7 проектировались с учетом требований, предъявляемых к GPD-приводам (раздел «Назначение» и [9]), и позволяют работать с температурами до 175°C.

На рисунке 12 показаны допустимые формы перегрузки для IGBT7. Продолжительность перегрузки IGBT7 при температуре перехода Tvj op более 150°C должна быть в пределах 20% от длительности цикла коммутации (T), например, t1 = 60 с каждые T = 300 с.

Рис. 12. Допустимые формы перегрузки для IGBT 7 (а) и для IGBT 4 (б)

Рис. 12. Допустимые формы перегрузки для IGBT7 (а) и для IGBT4 (б)

Повышение максимальной температуры Tvj op в IGBT7 позволяет этим транзисторам работать в условиях типовых перегрузок, характерных для GPD-приводов. Они оказываются устойчивыми к импульсам тока длительностью как 3 с, так и 60 с. Преимущества этой особенности раскрываются в следующих разделах.

Тестирование и результаты испытаний

Все описанные выше нововведения, реализованные в модулях FF900R12ME7_B11, обеспечивают рост КПД по сравнению с модулями FF600R12ME4_B72. Чтобы оценить и сравнить производительность этих двух модулей, была проведена серия испытаний. В процессе тестирования контроль температуры выполнялся с помощью инфракрасной камеры. Параметры и условия испытаний представлены в таблице 1.

Таблица 1. Типовые характеристики GPD-привода, используемые для сравнения IGBT7 с IGBT4

Топология Мост
Отвод тепла Радиатор с воздушным охлаждением
Частота переключений 1 и 2,5 кГц
Тип модуляции ШИМ
Напряжение «затвор-эмиттер» -8…15 В
Напряжение шины (DC-Link) 621 В
Индекс модуляции 0,95
Коэффициент мощности 0,9
du/dt 10…90% < 5 кВ/мкс
Частота кадров ИК-камеры 30 кадров/с
Температура окружающей среды 20°C (40°C)*
* – температура окружающей среды 40°C не может быть установлена с помощью тестовой установки.

Фотография испытательной установки представлена на рисунке 13.

Рис. 13. Испытательная установка

Рис. 13. Испытательная установка

FF600R12ME4_B72 против FF900R12ME7_B11 – выходной ток и снижение температуры

Результаты проведенных испытаний представлены на рисунках 14 и 15.

Рис. 14. Зависимость температуры перехода IGBT от выходного тока при частоте коммутаций 1 кГц. (Условия испытания представлены в таблице 1)

Рис. 14. Зависимость температуры перехода IGBT от выходного тока при частоте коммутаций 1 кГц. (Условия испытания представлены в таблице 1)

Рис. 15. Зависимость температуры перехода IGBT от выходного тока при частоте коммутаций 2,5 кГц

Рис. 15. Зависимость температуры перехода IGBT от выходного тока при частоте коммутаций 2,5 кГц

Из представленных графиков видно, что при частоте ШИМ 1 кГц и одинаковом выходном токе температура модуля, использующего технологию IGBT7, оказывается на 38°C ниже, чем у модуля, выполненного по технологии IGBT4. Если же модуль IGBT7 работает при максимальной температуре 175°С, то его выходной ток оказывается больше на 150 А. При 150°C выходной ток модуля IGBT7 оказывается больше на 95 A.

При частоте ШИМ 2,5 кГц достоинства новой технологии также оказываются вполне очевидными: уменьшение нагрева на 33°C при равных токах, преимущество по току 70 A при температуре 150°C и 110 A при температуре 175°C.

FF600R12ME4_B72 против FF900R12ME7_B11 – снижение температуры на клеммах

На рисунке 16 показана разница температур между FF900R12ME7_B11 и FF600R12ME4_B72.

Рис. 16. Снижение температуры FF900R12ME7_B11 за счет использования нового корпуса

Рис. 16. Снижение температуры FF900R12ME7_B11 за счет использования нового корпуса

Новый корпус FF900R12ME7_B11 позволяет значительно уменьшить температуру силовых клемм, подключенных к шине питания, при том же выходном токе. Разница с FF600R12ME4_B72 достигает 20°C.

На рисунке 17 представлены ИК-фотографии, на которых запечатлено распределение температуры внутри модулей, работающих в одинаковых условиях. Оба модуля работают в одинаковых условиях (420 А и 2,5 кГц). На фотографиях используется одинаковая температурная шкала.

Рис. 17. Распределение температуры внутри модулей FF600R12ME4_B72 (а) и FF900R12ME7_B11 (б)

Рис. 17. Распределение температуры внутри модулей FF600R12ME4_B72 (а) и FF900R12ME7_B11 (б)

Сравнение ИК-фотографий демонстрирует, что локальные разогревы компонентов модуля FF900R12ME7_B11 меньше по сравнению с модулем FF600R12ME4_B72. В модуле FF900R12ME7_B11 транзисторы IGBT, FWD, DCB, клеммы модуля, клеммы шины питания и соединительные провода работают с более низкой температурой.

FF600R12ME4_B72 против FF900R12ME7_B11 – увеличение максимального тока нагрузки GPD-привода

Для того чтобы оценить увеличение нагрузочной способности GPD-привода за счет перехода на новые силовые модули IGBT7, были проведены испытания двух степеней жесткости: в нормальных условиях (ND) и в тяжелых условиях (HD), для двух рейтингов токовых нагрузок (370 А и 477 А). Параметры испытаний выбирались исходя из данных, представленных одним из производителей GPD-приводов [1] в таблице 2.

Таблица 2. Токовая нагрузка для приводов с рейтингом тока 370 А и 477 А

Параметр Рейтинг тока 370 A Рейтинг тока 477 A
Номинальный ток IND 370 477
Нормальная нагрузка 60 с 1,1×IND 407 525
Нормальная нагрузка 3 с 1,5×IND 555 716
Номинальный ток (IHD) 312 370
Повышенная нагрузка 60 с 1,5×IHD 468 555
Повышенная нагрузка 3 с 2×IHD 624 740

В ходе испытаний силовые ключи коммутировали номинальный ток с частотой 2,5 кГц согласно условиям, представленным в таблице 1. Температура всей системы находилась в устойчивом состоянии до приложения импульсов перегрузки. Тепловое поведение системы показано на рисунках 18 и 19.

Рис. 18. Воздействие токовых нагрузок 370 A, модуль FF600R12ME4_B72: результаты измерений в режиме ND и в жестком режиме HD

Рис. 18. Воздействие токовых нагрузок 370 A, модуль FF600R12ME4_B72: результаты измерений в режиме ND и в жестком режиме HD

Рис. 19. Воздействие токовых нагрузок 477 A, модуль FF900R12ME7_B11: результаты измерений при номинальном токе ND и HD, импульсах перегрузки в нормальных и тяжелых условиях

Рис. 19. Воздействие токовых нагрузок 477 A, модуль FF900R12ME7_B11: результаты измерений при номинальном токе ND и HD, импульсах перегрузки в нормальных и тяжелых условиях

Модуль с IGBT4 работал на пределе уже при токовой нагрузке 370 А. При приложении импульсов перегрузки длительностью 3 с в режиме HD температура Tvj достигала значения 142°C.

В ходе испытаний модуль IGBT7 успешно справился с токовыми перегрузками, определенными для токового рейтинга 477 А. При всех уровнях тока FF900R12ME7_B11 по-прежнему находился в зоне безопасной работы. Хотя температура окружающей среды в ходе испытания составляла 20°C, а не 40°C, как требовалось, полученные результаты позволяют сравнить эффективность IGBT7 и IGBT4. Производители инверторов могут достичь того же выходного тока при 40°C, используя более качественный теплоотвод, DPWM-модуляцию и/или уменьшая частоту переключения.

Заключение

Новая технология транзисторов IGBT7, а также технология диодов emitter-controlled 7 были оптимизированы с учетом требований GPD-приводов. Благодаря этой оптимизации было достигнуто значительное снижение статических потерь, улучшено качество управления, обеспечена достаточная мягкость коммутаций при различных уровнях тока, а также повышена устойчивость к импульсным токовым перегрузкам. Новые технологии, наряду с оптимизацией корпуса EconoDUAL™ 3, позволяют упростить проектирование мощных приводов.

Проведенные испытания наглядно продемонстрировали повышение эффективности новых силовых модулей. При одном и том же токе модуль FF900R12ME7_B11 обеспечивает снижение температуры на 38°C, по сравнению с модулем FF600R12ME4_B72. При работе в рамках допустимой температуры токовая нагрузка FF900R12ME7_B11 оказывается больше на 150 А.

С учетом особенностей GPD-приводов переход на EconoDUAL™ 3 с IGBT7 позволяет обеспечивать рост рейтинга тока с 370 A до 477 A.

Литература

  1. WEG cfw11 users manual 400v sizes f g and h 10000784107.
  2. SINAMICS G120, Power Module PM240, Hardware Installation Manual 072009, Page 65
  3. Depenbrock: Pulse width control of a 3-phase inverter with nonsinusoidal phase voltages in Conf. Rec. IEEE Int. Semiconductor Power Conversion Conf., 1977, pp. 399–403.
  4. Bierhoff, et al., An Analysis on Switching Loss Optimized PWM Strategies for Three Phase PWM Voltage Source Converters, The 33rd Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society (IECON), Nov. 5-8, 20
  5. Vogel, et al., Improve the efficiency in AC-Drives: New Semiconductor solutions and their challenges, EEMODS 2016, Helsinki
  6. R. Müller, et al., New 1200 V IGBT and Diode Technology with Improved Controllability for Superior Performance in Drives Application, PCIM Europe, Nuremberg, Germany, 2018
  7. Jaeger, et al., A New Sub-Micron Trench Cell Concept in Ultrathin. Wafer Technology for Next Generation 1200 V IGBTs, ISPSD, Sapporo, Japan, 2017
  8. Vogel, et al., IGBT inverter with increased power density by use of high-temperature-capable and low-inductance design, PCIM Europe, Nuremberg, Germany, 2012
  9. AN2018-14, TRENCHSTOPTM 1200 V IGBT7 Application Note

Оригинал статьи

Перевел Вячеслав Гавриков по заказу АО КОМПЭЛ

•••

Наши информационные каналы

О компании Infineon

Компания Infineon является мировым лидером по производству силовых полупроводниковых компонентов, а также занимает ведущие позиции по производству автомобильной полупроводниковой электроники и смарт-карт.  В 2015 году компания Infineon приобрела компанию International Rectifier, тем самым значительно усилив свои лидирующие позиции в области силовой электроники. Это сочетание открывает новые возможности для клиентов, так как обе компании превосходно дополняют друг друга благодаря высокому уровню ...читать далее

Товары
Наименование
FF900R12ME7B11BOSA1 (INFIN)
FF600R12ME4B72BOSA1 (INFIN)
FF600R17ME4BOSA1 (INFIN)
FF225R12ME4BOSA1 (INFIN)
FF225R17ME4B11BOSA1 (INFIN)
FF300R12ME4B11BPSA1 (INFIN)
FF300R12ME4BOSA1 (INFIN)
FF300R12ME4PB11BPSA1 (INFIN)
FF300R12ME4PBOSA1 (INFIN)
FF300R17ME4BOSA1 (INFIN)
FF450R07ME4B11BOSA1 (INFIN)
FF450R12ME4B11BPSA1 (INFIN)
FF450R12ME4BOSA1 (INFIN)
FF450R12ME4PB11BOSA1 (INFIN)
FF450R12ME4PBOSA1 (INFIN)
FF450R17ME4B11BOSA1 (INFIN)
FF450R17ME4BOSA1 (INFIN)
FF600R12ME4AB11BOSA1 (INFIN)
FF600R12ME4BOSA1 (INFIN)
FF600R12ME4PBOSA1 (INFIN)