№10 / 2011 / статья 5

Седьмое поколение IGBT от IR: снизим потери при переключении

Кирилл Автушенко (КОМПЭЛ)

Основной вопрос, который возникает у разработчиков, не применявших ранее IGBT — в каком случае применять их, а где стоит использовать классические MOSFET. Для того, чтобы разобраться в этом вопросе, необходимо провести аналогию между параметрами IGBT и MOSFET. Итак, рассмотрим основные параметры транзисторов, их функциональное соответствие и типичные значения.

VECS (Collector-to-Emitter Breakdown Voltage) — максимально-допустимое напряжение «коллектор-эмиттер». Является аналогом параметра VDS MOSFET-транзисторов. Значение этого параметра для IGBT находится в пределах 300…1500 В.

IC (Continuous Collector Current) — максимальный ток коллектора, аналог тока стока ID. Диапазон значений для IGBT — 10…200 А.

VGE (Gate-to-Emitter Voltage) — максимально допустимое напряжение «затвор-эмиттер», аналог параметра VGS. Значения VGE находятся в пределах ±20… ±30 В.

VCE(on) (Collector-to-Emitter Saturation Voltage) — напряжение насыщения «коллектор-эмиттер», определяет потери проводимости в транзисторе, аналог Rds(on) для MOSFET. Диапазон значений VCE(on) 1,0…2,5 В.

Ets (Total Switching Loss) — полные потери на переключения транзистора (измеряется в мкДж). Аналогом у MOSFET является заряд затвора Qg.

Pd (Maximum Power Dissipation) — максимально возможная рассеиваемая мощность. Как и в случае MOSFET-транзисторов, значение данного параметра в значительной степени определяется типом корпуса транзистора.

Особенностью IGBT-транзисторов является снижение значений параметра, являющегося эквивалентом сопротивления канала MOSFET с увеличением тока, протекающего в IGBT-транзисторе. Воспользуемся конкретным примером сравнения двух различных MOSFET с IGBT, наглядно проиллюстрированном на рис. 1.

 

Сравнение IGBT и MOSFET для различных рабочих токов

 

Рис. 1. Сравнение IGBT и MOSFET для различных рабочих токов

Из графика видно, что при токах свыше 33 А значение эквивалента Rds(on) становится ниже реальных значений Rds(on) для MOSFET с напряжением 150 В, что позволяет получить дополнительную эффективность при использовании IGBT. В случае использования MOSFET с напряжением 200 В при любых токах потери в IGBT-транзисторе значительно ниже.

Однако наравне с выделенными выше преимуществами IGBT-транзисторы проигрывают MOSFET по быстродействию. В отличие от MOSFET, способных работать на частотах в несколько мегагерц, пределом IGBT является порог в 30…40 кГц с существенным ухудшением токовой характеристики на частотах более 20 кГц. Данный факт иллюстрирует рисунок 2.

 

Сравнение рабочих токов IGBT и MOSFET на различных частотах

 

Рис. 2. Сравнение рабочих токов IGBT и MOSFET на различных частотах

 

Классификация IGBT компании IR

 

В зависимости от применяемой технологии изготовления все IGBT-транзисторы компании IR можно разделить на четыре поколения — G4…G7, топология которых приведена на рисунке 3.

 

Топология различных поколений IGBT

 

Рис. 3. Топология различных поколений IGBT

Применение различных технологий производства позволяет добиться требуемого соотношения основных параметров транзисторов, что определяет их области применения. Как видно на рисунке, наряду с улучшенными характеристиками новые поколения транзисторов обладают и большей стоимостью. Это связано с увеличением общего числа слоев в структуре транзистора, а также усложнением технологических процессов их создания.

Качественную оценку основных характеристик транзисторов на напряжение 1200 В можно сделать, исходя из рис. 4.

 

VCE(on) vs. Ets для различных поколений транзисторов

 

Рис. 4. VCE(on) vs. Ets для различных поколений транзисторов

Из рисунка видно, что переход от поколения G4, изготавливаемого по punch-through (PT) технологии, к G5, изготавливаемому по non-punch-through (NPT) технологии, сопровождается девятикратным уменьшением потерь на переключение (параметр Ets) и увеличением потерь на проводимость в 1,5 раза. Таким образом, поколение G5 больше подходит для применения в схемах с более высокими рабочими частотами, чем G4.

Переход к новым технологиям FS Trench (G6) и Epi-Trench (G7), позволил создать IGBT, которые совмещают в себе достоинства предыдущих поколений и обладают низкими значениями Ets без увеличения потерь проводимости. Кроме того, падение рабочего тока транзистора с увеличением частоты у нового поколения G7 выражено не так ярко, как у транзисторов предыдущих поколений или у IGBT-транзисторов других производителей. Эти выводы можно сделать из рисунка 5, на котором приведена зависимость тока от частоты переключения для различных семейств транзисторов.

 

VCE(on) vs. Ets для различных поколений транзисторов

 

Рис. 5. VCE(on) vs. Ets для различных поколений транзисторов

Представленные поколения широко представлены на рынке электронных компонентов и перекрывают практически все области применения IGBT (см. таблицу 1).

Таблица 1. IGBT разных технологий  

  PT NPT FS Trench Epi Trench
S F U W K U W K K U S F U
Приборостроение   X X   X X   X   X   X X
Пром. Двигатели         X     X X        
ККМ       X   X X     X      
ИБП X   X X   X X     X X   X
Солнечные батареи X   X X   X X     X X   X
Сварка X   X     X       X X   X
Индукционный нагрев     X             X     X
Интерфейсы X                   X    
Источники питания     X X   X X     X     X
* красным цветом выделены изделия, находящиеся в разработке.

Строка, расположенная ниже обозначения технологий изготовления транзисторов, определяет тип транзистора с точки зрения его частотных характеристик. Максимальные рабочие частоты, а также значения параметров VCE(on) и Ets для каждой группы можно найти в таблице 2.

Таблица 2. Частотные характеристики IGBT  

Название группы Литера Fsw, кГц Vce(on), В Ets, мДж
Стандарт (Standart) S <1 1,2 6,95
Быстрые (Fast) F 1…8 1,4 2,96
Ультрабыстрые (Ultrafast) U 8…30 1,7 1,1
Сверхбыстрые (Warp) W >30 2,05 0,34

Литера «К» в таблице 1 обозначает не скоростную группу транзистора, а служит отметкой о способности транзистора сохранять работоспособность в условиях короткого замыкания (Sort Circuit Safe Operation Area — SCSOA). Данный термин введен компанией IR для транзисторов, которые имеют дополнительную защиту против короткого замыкания. Данное свойство является крайне полезным при работе транзисторов на удаленную индуктивную нагрузку (двигатель). В этих условиях длинные линии подвержены сильным внешним помехам и случайным механическим повреждениям, которые могут привести к короткому замыканию выводов транзистора.

IR предлагает три степени защиты IGBT от короткого замыкания, которые определяются допустимой длительностью состояния КЗ (10 мкс, 6 мкс, 3 мкс), при котором, транзистор сохраняет работоспособность после устранения условий КЗ. Наличие подобной защиты приводит к незначительному (0,1…0,2 В) увеличению параметра VCE(on).

 

Новинки в семействе G7

 

Компания IR постоянно совершенствует IGBT как на уровне улучшения характеристик кристаллов, так и путем внедрения инновационных технологий корпусирования. Новая номенклатура транзисторов седьмого поколения, которые будут доступны в скором времени, приведена в таблице 3.

Таблица 3. Частотные характеристики IGBT  

Наименование Напр., В Ic (ном) А VCE(ON), В Скорость Применение
IRG7PC35SD 600 40 1,2 Стандарт 50/60Гц
IRG7PC50SD 90 1,2
IRGC4271B 650 75 1,7 Ультра-быстрые, SCSOA ИБП, солн. бат., сварка, инд. нагрев
IRGC4273B 100 1,7
IRGC4274B 150 1,7
IRGC4275B 200 1,7
IRG7CH54K10B-R 1200 50 1,8 Ультра-быстрые, SCSOA Промышленные двигатели
IRG7CH75K10B-R 100 1,9
IRG7CH81K10B-R 150 1,95
IRG7CH73UB-R 75 1,7 Ультра-быстрые ИБП, солн. бат., сварка
IRG7CH75UB-R 100 1.7
IRG7CH81UB-R 150 1.7

Номенклатура транзисторов G7 напряжением на 1200 В представлена в таблице 4. Все транзисторы данной категории являются ультрабыстрыми, нормированы на ток от 20 до 50 А и находят применение в источниках бесперебойного питания, повышающих преобразователях напряжения и системах индукционного нагрева.

Таблица 4. IGBT G7 на напряжение 1200В  

Наименование Напр., В Ic (ном) А VCE(ON), В Скорость Применеие
IRG7PC35UD1-EP 1200 20 1,8 Ультрабыстрые Индукц. нагр.*
IRG7PC35UD1PBF
IRG7PC35UD-EP ИБП*, СБ*
IRG7PC35UDPBF
IRG7PHC35U-EP Повыш. преобр.*
IRG7PH35UPBF
IRG7PH42UD1-EP 30 1,7 Ультрабыстрые Индукц. нагр.
IRG7PH42UD1PBF
IRG7PH42U-EP ИБП, СБ
IRG7PH42UPBF
IRG7PH42UD-EP Повыш. преобр.
IRG7PH42UDPBF
IRG7PH46UD-EP 40 1,7 Ультрабыстрые ИБП, СБ
IRG7PH46UDPBF
IRG7PH46U-EP Повыш. преобр.
IRG7PH46UPBF
IRG7PSH50UDPBF 50 1,7 Ультрабыстрые ИБП, СБ
IRG7PH50U-EP Повыш. преобр.
IRG7PH50UPBF
* ИБП — источники бесперебойного питания
* СБ — солнечные батареи
* Повыш. преобр. — повышающий преобразователь
* Индукц. нагр. – индукционный нагрев

Для расшифровки наименования транзисторов можно воспользоваться справочником по системе нумерации, приведенным на рис. 6.

 

Система наименований IGBT G6 и G7

 

Рис. 6. Система наименований IGBT G6 и G7

 

Области применения IGBT-транзисторов G6 и G7

 

Как видно из таблиц 3 и 4, основными областями применения IGBT-транзисторов седьмого поколения являются корректоры коэффициента мощности, инверторы, драйверы моторов и сварочные аппараты.

 

Корректоры коэффициента мощности

 

Использование IGBT в схемах ККМ рекомендуется при выходных мощностях свыше 1 кВт. Рабочие частоты схемы составляют 20…25 кГц, что определяет скоростные характеристики транзисторов. Применение 600 В IGBT-транзисторов типов U и W вместо классических MOSFET позволяет добиться уменьшения потерь более чем на 50%.

На рисунке 7 приведены зависимости максимального выходного тока IGBT, работающих в корректоре коэффициента мощности, от частоты переключения. Очевидно преимущество нового семейства на частотах до 50 кГц.

 

Кривые тока IGBT и их характеристики при работе в схеме ККМ

 

Рис. 7. Кривые тока IGBT и их характеристики при работе в схеме ККМ

 

Инверторы

 

Функциональные схемы инверторов приведены на рисунке 8.

 

Функциональные схемы полномостового (а), NPC (neutral point clamped) (б) и полумостового (в) инверторов

 

Рис. 8. Функциональные схемы полномостового (а), NPC (neutral point clamped) (б) и полумостового (в) инверторов

Первые два типа схем применяются при напряжении шины питания ±400 В и мощностью до 3 кВт (а) и более 3 кВт (б). Транзисторы для данной схемы могут иметь рабочее напряжение 600 В. Переключение разных плечей в схеме (а) осуществляется с различными частотами: верхнее плечо — 20 кГц, нижнее — 50 или 60 Гц (определяется частотой электросети). Поэтому требуется использовать транзисторы различных частотных характеристик, например групп U и S.

Полумостовая (в) схема применяется при напряжении шины питания ±600 В и выходных мощностях более 3 кВт. В этом случае переключение транзисторов осуществляется на частоте 20 кГц, и в схему следует устанавливать транзисторы с напряжением 1200 В группы U. Транзисторы G7, изготовленные по Epi-Trench-технологии, оптимизированны специально под применение в составе инверторных схем, в которых необходимо обеспечение минимальных значений VCE(on) и Ets.

 

Сварочные аппараты

 

Сварочные аппараты подразделяются на две группы по типу выходного тока: с постоянным или с переменным. Функциональные схемы данных аппаратов приведены на рисунке 9.

 

Функциональная схема сварочного аппарата постоянного (а) и переменного (б) тока

 

Рис. 9. Функциональная схема сварочного аппарата постоянного (а) и переменного (б) тока

Аппараты состоит из полномостового ИП и выходного инвертора (только в структуре (б)), принцип работы которых мы рассмотрели выше. Выбор транзисторов осуществляется по аналогичным критериям.

 

Системы управления двигателем

 

Условия работы транзисторов в системах управления двигателем (индуктивная нагрузка) отличаются от рассмотренных выше примеров. И если в схеме ККМ IGBT G6 /G7 проигрывали своим предшественникам на высоких частотах, то при управлении двигателем картина несколько меняется, что иллюстрируется рисунком 10.

 

Кривые тока фазы и характеристики IGBT при работе в схеме управления двигателем

 

Рис. 10. Кривые тока фазы и характеристики IGBT при работе в схеме управления двигателем

Если взять за основу технологии изготовления транзисторов и проанализировать графики, то можно заключить, что:

  • Trench-IGBT обладают большим значением VCE(on), но более низкими значениями EON и EOFF, что приводит к уменьшению потерь в сравнении с IFX;
  • Trench-IGBT обеспечивают более высокий ток на частоте 10кГц;
  • NPT-транзисторы обладают зоной SCSOA шириной 10мкс.

 

Драйвера IGBT

 

Для правильного обеспечения закрытия и открытия IGBT-транзисторов необходимо применение специальных высоковольтных микросхем-драйверов (HVIC — High Voltage Integrated Circuit). Они позволяют создать требуемый перепад напряжения между коллектором, находящимся под напряжением несколько сотен вольт, и затвором. Кроме того, драйвера обеспечивают высокий ток (несколько ампер) для быстрой перезарядки паразитных емкостей транзистора, что обеспечивает меньшие потери энергии при переключении транзисторов.

Компания IR предоставляет широкий спектр драйверов IGBT-транзисторов, которые рассчитаны на различное число управляющих каналов (как входных, так и выходных). Самые простые из них — одноканальные микросхемы, предназначенные для управления одним транзистором в составе ККМ, а самые сложные (семиканальные) — способны управлять всеми транзисторами, входящими в состав схем управления двигателями или многофазными инверторами. Драйверы рассчитаны на различные управляющие напряжения и токи затворов транзисторов.

В таблице 5 приведены характеристики и особые функции двухканальных драйверов. Красным цветом выделены позиции, планируемые к выпуску.

Таблица 5. Двухканальные драйверы и их характеристики   

Vсмещ., В I-sink, мA I-source, мА Особенности SOIC8 DIP8 MLPQ4x4 SOIC14 DIP14 SSOP24
200   600   290   HIN, LIN/N   IRS2003S   IRS2003   IRS2003M   —   —   —  
600   290   IN, SD/N   IRS2004S   IRS2004   IRS2004M   —   —   —  
600   600   290   HIN, LIN/N   IRS2103S   IRS2103   IRS2103M   —   —   —  
2300   1900   IRS2183S   IRS2183   —   —   —   —  
600   290   IRS2108S   IRS2108   —   —   —   —  
600   290   IN, SD/N   IRS2104S   IRS2104   IRS2104M   —   —   —  
2300   1900   IRS2184S   IRS2184   —   —   —   —  
600   290   IRS2109S   IRS2109   —   —   —   —  
600   290   IN, no SD   IRS2111S   IRS2111   IRS2111M   —   —   —  
600   290   HIN, LIN   IRS2308S   IRS2308   IRS2308M   —   —   —  
600   290   IRS2304S   IRS2304   IRS2304M   —   —   —  
3000   2000   DSH/L пассивное смещ.   —   —   —   </ td> —   —   IR2114SS  
3000   2000   DSH, HSL активное смещ.   —   —   —   —   —   IR21141SS  
600   290   HIN, LIN/N   —   —   IRS21084M   IRS21084S   IRS21084   —  
2300   1900   —   —   IRS21834M   IRS21834S   IRS21834   —  
600   290   IN, SD/N   —   —   IRS21094M   IRS21094S   IRS21094   —  
2300   1900   —   —   IRS21844M   IRS21844S   IRS21844   —  
600   290   —   —   IRS21091M   IRS21091S   IRS21091   —  
600   290   HIN, LIN/N   IRS2608DS   IRS2608D   —   —   —   —  
600   290   IN, SD/N   IRS2609DS   IRS2609D   —   —   —   —  
1200   3000   2000   DSH/L пассивное смещ.   —   —   —   —   —   IR2214SS  
3000   2000   DSH, HSL активное смещ.   —   —   —   —   —   IR22141SS  
IN — (input) -один вход, управляющий обоими плечами;
HIN — (hight input) — отдельный вход управления верхним плечем;
LIN — (Low input) — отдельный вход управления нижним плечем;
DT — (Dead time) — состояние когда оба плеча выключены;
/N — (negativ) — низкий активный уровень сигнала;
SD — (Shut Down) — вход отключения питания.

Для удобства потребителей наименование микросхем драйверов подчинено системе (part numbering system), представленной на рис. 11.

 

Система партнамберов IGBT-драйверов

 

Рис. 11. Система партнамберов IGBT-драйверов

 

Заключение

 

Седьмое поколение (Gen7) IGBT от компании International Rectifier совмещает в себе низкие значения VCE(on) и Ets, что позволяет использовать их как в «быстрых», так и в «медленных» частях электрических схем, добиваясь высокого КПД при узкой номенклатуре применяемых компонентов.

Компания КОМПЭЛ является официальным дистрибьютором IR, и в нашем параметрическом каталоге по адресу http://catalog.compel.ru/igbt/list, вы можете найти подходящий по параметрам IGBT-транзистор, просмотреть документацию и получить информацию о наличии на складе и цене конкретного IGBT.

 

Литература

 

1. VolkerSchendel, Harald Reichert. Материалы семинара IGBTs & Gate Driver ICs», IR, 2011 г.

Получение технической информации, заказ образцов, поставка — e-mail: power.vesti@compel.ru

Наши информационные каналы

Рубрики: