№8 / 2016 / статья 6

Практическая демонстрация влияния технологий IGBT5 и .XT на удельную мощность системы

Рагаван Нагарайан (Infineon Technologies AG), Хуберт Керстин (Infineon Technologies AG)

Дальнейшее увеличение удельной рассеиваемой мощности и продление сроков эксплуатации мощных силовых модулей в настоящее время ограничены на уровне топологии полупроводникового кристалла и внутренних соединений. Разработчики из компании Infineon Technologies предлагают решение этой проблемы на базе нового поколения транзисторов IGBT5 с технологией .XT для формирования внутренних соединений в силовом модуле.

Биполярные транзисторы с изолированным затвором пятого поколения (IGBT5) и новая технология .XT расширяют энергетические возможности мощных силовых модулей. Новые технологии двояким образом влияют на параметры силового оборудования. Во-первых, они позволяют продлить срок безаварийной эксплуатации силового блока. Во-вторых, за счет увеличения в новых модулях максимальной рабочей температуры p-n перехода обеспечивается повышенная удельная мощность силового блока. В данной статье влияние технологий IGBT5 и .XT на удельную рассеиваемую мощность силового блока иллюстрируется практически, на демонстрационном макете.

Рис. 1. Взаимозависимость между удельной мощностью и предельным сроком эксплуатации для IGBT5 c технологией .XT, при одинаковых размерах кристалла

Рис. 1. Взаимозависимость между удельной
мощностью и предельным сроком эксплуатации для IGBT5 c технологией .XT при одинаковых размерах кристалла

IGBT5 и .XT – взаимозависимость между удельной мощностью модуля и предельным сроком эксплуатации

Взаимозависимость между удельной мощностью модуля и предельным сроком эксплуатации представлена на рисунке 1 в виде треугольника, начиная с уровня 10% удельной мощности. Продление срока службы нового модуля пятого поколения соответствует перемещению в горизонтальном направлении (по оси Х). Повышенная удельная мощность обеспечивается за счет повышения уровня предельно допустимой температуры полупроводникового перехода (Tj) в процессе эксплуатации. На рисунке 1 этому случаю соответствует перемещение в вертикальном направлении (по оси Y), относительно прежнего ограничения.

Технологии IGBT5 и .XT в корпусах PrimePACK

Представленный в 2006 году силовой транзисторный модуль в корпусе PrimePACK 3 стал стандартом для создания мощных силовых блоков в мегаваттном диапазоне. Благодаря этому успеху, очевидным представлялось и появление нового, пятого поколения IGBT 1700 V в корпусе PrimePACK 3+. При использовании корпусов PrimePACK 3 максимальный рабочий ток при полумостовой конфигурации составляет 1400 А.

С появлением полумостового модуля IGBT пятого поколения и новой технологии .ХТ для внутренних соединений на уровне кристалла номинальный ток модуля возрастает до 1800 А. Чтобы обеспечить работу с повышенным током, корпус PrimePACK 3 был модифицирован. Теперь для переменного тока имеется две шины и два терминала вместо прежних одной шины и одного терминала. При незначительных изменениях сохраняются общие габаритные размеры корпуса PrimePACK 3.

Сравнение удельной мощности модуля и системы

Прямого соответствия между увеличением удельной мощности отдельного полупроводникового модуля и удельной мощностью всей системы, где он используется, не наблюдается. Лучшим способом выявления влияния повышенной удельной мощности силового транзисторного модуля на удельную мощность всей системы является сборка двух демонстрационных макетов и сравнение их по удельной мощности. Один из таких силовых блоков реализован на основе модуля предыдущего поколения – IGBT4 (FF1400R17IP4), а другой на основе нового модуля пятого поколения (FF1800R17IP5). Оба макетных образца были собраны на платформе Infineon STACK, как показано на рисунке 2.

Рис. 2. Два демонстрационных макета: на основе FF1400R17IP4 (слева) и на основе FF1800R17IP5 (справа)

Рис. 2. Два демонстрационных макета: на основе FF1400R17IP4 (слева) и на основе FF1800R17IP5
(справа)

Основная разница между ними – в том, что FF1800R17IP5 оснащен двумя выходными терминалами АС для выходного тока вместо одного в модуле прежнего поколения. В механической конструкции нового макетного блока учтен дополнительный терминал. Этот факт наглядно выделен на правом фото красной окружностью. Данная адаптация привела к увеличению длины блока на основе IGBT5 и, соответственно, к увеличению объема, хотя корпус PACK 3 и новый PrimePACK 3+ имеют одинаковые габаритные размеры (ВxШxД = 38x89x250 мм).

Аппаратная часть демонстрационных макетов представляет собой трехфазный инвертор, использующий в каждой фазе по одному силовому модулю. К шинам DC подключены конденсаторы емкостью 3,6 мФ, а на выходных терминалах AC установлены три токовых датчика на основе эффекта Холла.

В таблице 1 перечислены основные параметры вновь разработанного демонстрационного макета.

Таблица 1. Основные параметры нового демонстрационного макета

Топология B6I
Применение Инвертор для приводов и преобразователей энергии ветра
Тип нагрузки Резистивная, индуктивная
Конденсатор на шине DC 3,6 мкФ
Теплоотвод Водяное охлаждение
Термическое сопротивление теплоотвода 30,2К/кВт
Датчики Ток, напряжение, температура
Сигналы управления для IGBT Электрические
Rg_on 1,0 Ом
Rg_off 0,68 Ом

Полные данные по изменению размеров и объема демонстрационных блоков приведены в таблице 2.

Таблица 2. Размеры и объем систем на основе FF1400R17IP4 и FF1800R17IP5

Макетный блок Длина, см Ширина, см Высота, см Объем, дм3
На основе FF1400R17IP4 59 33,8 36,4 72,59
На основе FF1800R17IP5 61 33,8 36,4 75,05

Для достижения необходимой удельной мощности системы в условиях, которые являются актуальными и типичными для подобных устройств, два блока были протестированы в соответствии с перечисленными в таблице 3 параметрами.

Таблица 3. Режимы тестирования для двух макетных блоков

Макетный блок Выходной
ток, А
Выходная
частота, Гц
Напряжение шины DC, В Отношение выходного тока к коэффициенту усиления модулей
На основе FF1400R17IP4 780 50 1100 55,71%
На основе FF1800R17IP5 1020 50 1100 56,67%

Оба блока были испытаны при одинаковых значениях выходного напряжения и коэффициента мощности. В таких случаях удельная мощность системы – это простое отношение выходного тока к объему системы. Например, если выходное напряжение и коэффициент мощности составляют 690 В и 1,0 соответственно, тогда удельная мощность системы соответствует данным в таблице 4.

Таблица 4. Сравнение удельной мощности двух блоков

Макетный блок Мощность
системы, кВт
Объем
блока, дм3
Удельная мощность системы, Вт/cм3
На основе FF1400R17IP4 932,16 72,59 12,4
На основе FF1800R17IP5 1218,98 75,05 16,24

Увеличение удельной мощности системы на основе IGBT5 по сравнению с системой на основе IGBT4 составляет 26,5%.

Заключение

Использование транзисторных модулей пятого поколения IGBT5 совместно с технологией Infineon .XT обеспечивают увеличение удельной рассеиваемой мощности и продление сроков эксплуатации силовых модулей.

При почти одинаковых соотношениях выходного тока и коэффициента усиления у используемых в блоках силовых модулей, применение технологий IGBT5 и .XT приводит к увеличению удельной мощности системы на 26,5% в сравнении с блоком на основе IGBT4.

Получение технической информации, заказ образцов, заказ и доставка.

IRGx47xx – новое семейство надежных IGBT 650 В производства компании Infineon для промышленных систем

Компания Infineon представляет линейку надежных 650-вольтных IGBT-транзисторов IRGx47xx, оптимизированных для применения в схемах с высокой частотой коммутации, включая инверторы солнечных батарей, сварочное оборудование, системы индукционного нагрева и источники бесперебойного электропитания (ИБП).
Эти IGBT-транзисторы изготавливаются с применением технологии тонких пластин, что уменьшает потери проводимости и коммутации и повышает общий КПД преобразовательной системы. Транзисторы выпускаются в дискретном исполнении, а также в сборке с антипараллельным диодом, обладающим мягкой характеристикой обратного восстановления и низким Qrr. IGBT данного семейства обеспечивают рабочий ток 15…90 А. Они оптимизированы для высокочастотной коммутации 8…30 кГц (Ultrafast speed rating), а также обладают положительным температурным коэффициентом для облегчения параллельного включения и областью безопасной работы в режиме КЗ (SCSOA) шириной 6 мкс. Повышенное максимальное напряжение (650 В) обеспечивает дополнительную надежность системы в условиях высоких выбросов напряжения на шине питания, обуславливаемых, например, нестабильностью напряжения в сети переменного тока, и избавляет от необходимости применять дополнительные ограничители выбросов напряжения (voltage suppression devices).
Транзисторы семейства IRGх47xx, применяемые в широком диапазона рабочих частот, обладают низким значением VCE(ON) = 1,7 В при температуре кристалла 100°C и малой полной энергией переключения, что в совокупности приводит к значительному уменьшению тепловых потерь. Эти транзисторы выпускаются в различных корпусах промышленного стандарта, обеспечивают низкий уровень ЭМИ и высокую максимально допустимую рабочую температуру кристалла 175°C, что значительно повышает надежность конечных систем.

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