Транзисторы TRENCHSTOP IGBT7 - правильный выбор для промышленных электроприводов

Электродвигатели потребляют почти половину всей генерируемой энергии. Двигатели с инверторным приводом и регулируемой скоростью (VSD) обеспечивают значительную экономию энергии по сравнению с двигателями, работающими на фиксированной скорости с использованием ее механической регулировки. Поэтому в массовом производстве инверторов востребованы эффективные, надежные и экономичные силовые полупроводниковые приборы, вносящие свой вклад в повышение общей эффективности системы, такие как новые IGBT7 производства Infineon
865
В избранное

infin.png (829 b)Электродвигатели потребляют почти половину всей генерируемой энергии. Двигатели с инверторным приводом и регулируемой скоростью (VSD) обеспечивают значительную экономию энергии по сравнению с двигателями, работающими на фиксированной скорости с использованием ее механической регулировки. Поэтому в массовом производстве инверторов востребованы эффективные, надежные и экономичные силовые полупроводниковые приборы, вносящие свой вклад в повышение общей эффективности системы, такие как новые IGBT7 производства Infineon.

Одна из основных задач инверторных приводов связана с ограничением скорости переключения силовых транзисторов связанной с естественными ограничениями системы изоляции двигателя. Поэтому наклон характеристик переключения (dv/dt) ограничен диапазоном 2…10 кВ/мкс с типовым значением 5 кВ/мкс. Кроме того, двигатель испытывает перегрузку лишь в течение короткого периода времени, например, для того чтобы обеспечить начальный крутящий момент при запуске. Всем этим требованиям соответствует новая технология Infineon TRENCHSTOP™ IGBT7 1200 В и управляемая через эмиттер транзистора диодная технология EC7. IGBT7 основан на новейшей микрошаблонной trench-технологии (MPT) [2] и характеризуется существенно сниженными по сравнению с IGBT4 потерями энергии во включенном состоянии транзистора. Обеспечивается высокий уровень управляемости, а также возможность эксплуатации при 175°C в условиях кратковременной перегрузки.

Основные преимуществаTRENCHSTOP™ IGBT7:

  • очень малое напряжение во включенном состоянии, например, VCE(sat) = 1,65 В (при Tvj = 125°C);
  • Tvj,op = 175°C во время перегрузки;
  • улучшенная управляемость dv/dt;
  • оптимизированные потери на переключение при dv/dt = 5 кВ/мкс;
  • устойчивость к короткому замыканию в течение 8 мкс с убывающими характеристиками;
  • более эффективное сглаживание шунтирующего диода (FWD);
  • повышенная удельная мощность, уменьшенные до 40% размеры модуля;
  • хорошо зарекомендовавшая себя технология компоновки и расширенный ассортимент изделий.

Технология интегрирования

Полупроводниковая топология IGBT7 характеризуется реализацией полосковых шаблонных trench, или «траншейных» ячеек, разделенных субмикронными мезоструктурами [2], в отличие от ранее использовавшихся квадратных trench-ячеек. На рисунке 1 показан схематический чертеж структуры MPT с возможными структурами trench.

Технологии интегрирования

Рис. 1. Технологии интегрирования

Для trench-ячеек с уменьшенным шагом (cellpitch) и узкими мезоструктурами между областями затвора значительно увеличивается область хранения носителей рядом с эмиттерным электродом. Таким образом, существенно повышается проводимость в области смещения, что приводит к снижению прямого напряжения.

В сравнении с транзисторами IGBT4 последнего поколения, IGBT7 имеет почти такие же потери при выключении, но демонстрирует значительно сниженные статические потери. Напряжение во включенном состоянии уменьшено примерно на 20% в сравнении с кристаллами IGBT4. Типичное значение составляет 1,65 В при Tvj = 125°C, поэтому значительно снижаются потери в конечном оборудовании, особенно в промышленных приводах, которые обычно работают с умеренной частотой переключения.

Для работы в промышленных приводах разработаны не только сама новая технология IGBT, но и диод обратного хода для IGBT7, и управляемый эмиттером диод EC7. По сравнению с прежним, управляемым через эмиттер диодом EC4, EC7 имеет пониженное падение прямого напряжения 100 мВ, а также более сглаженную характеристику обратного восстановления [3].

Оптимизированное переключение

Изоляция в двигателях, подключаемых к инверторам с импульсами, типичными для широтно-импульсной модуляции (ШИМ), будет периодически находиться под повышенным электрическим напряжением. Импульсные скачки напряжения могут привести к электрическому пробою и, в конечном итоге, к повреждению изоляции обмоток. Поэтому производители двигателей обычно рекомендуют не превышать предельное значение параметра dv/dt, составляющее в наихудших условиях примерно 5 кВ/мкс для двигателей с рабочим напряжением 400 В.

С этой целью в TRENCHSTOP™ IGBT7 предусмотрена высокая степень управляемости. Она обусловлена способностью устройства изменять dv/dt за счет регулировки величины резистора затвора (RG). Это, в свою очередь, влияет на общие коммутационные потери (Etot) [3].

TRENCHSTOP™ IGBT7 по сути оптимизирован для типичных значений dv/dt около 5 кВ/мкс. В технических паспортах TRENCHSTOP™ IGBT7 значения dv/dt и коммутационные потери представлены в зависимости от внешнего резистора затвора RG [4]. Кривая включения dv/dt определена при номинальном токе 10% и комнатной температуре, кривая выключения – при номинальном токе и комнатной температуре. Следует отметить, что уровень dv/dt, особенно dv/dt при включении, не является абсолютным, его значение зависит, в том числе, от параметров окончательного тестирования. В качестве примера, на рисунке 2 изображена характеристика dv/dt IGBT как функция сопротивления резистора затвора RG для 100-амперного модуля FS100R12W2T7. При номинальном RG в 1,8 Ом dv/dt выключения уже ниже 5 кВ/мкс, а значение dv/dt включения очень близко к этому пределу. На рисунке 2 показаны значения сопротивления резистора затвора, необходимые для сохранения dv/dt на уровне 4 кВ/мкс. На рисунке 3 приведены нормированные потери переключения в зависимости от величины резистора. Для 4 кВ/мкс общие коммутационные потери всего лишь на 7% выше, чем значение этого параметра при номинальном RG.

IGBT dv/dt относительно величины резистора затвора RG для FS100R12W2T7

Рис. 2. IGBT dv/dt относительно величины резистора затвора RG для FS100R12W2T7

Коммутационные потери при Tvj = 125°C, VDC = 600 В, нормализованные к ICnom

Рис. 3. Коммутационные потери при Tvj = 125°C, VDC = 600 В, нормализованные к ICnom

Потери мощности

Важной задачей при разработке новой технологии было снижение энергетических потерь наряду с одновременным значительным увеличением удельной мощности [3]. Это позволяет потребителю создавать более эффективные и надежные силовые электронные системы.

Потери мощности на ступени инвертора для двух силовых модулей, рассчитанных на 25 А, были смоделированы в типичных условиях применения, приведенных в таблице 1. На рисунке 4 показано, что потери переключения при заданном ограничении dv/dt аналогичны, но потери проводимости значительно уменьшаются. Кроме того, наблюдается снижение потерь на диоде. В целом это приводит к уменьшению потерь мощности на 15%.

Смоделированные потери мощности на переключение для FP25R12W2T4 и FP25R12W2T7 (Easy 2B)

Рис. 4. Смоделированные потери мощности на переключение для FP25R12W2T4 и FP25R12W2T7 (Easy 2B)

Таблица 1. Потери мощности на ступени инвертора для двух силовых модулей, рассчитанных на 25 А, в типичных условиях применения

Параметр Значение
Входное напряжение VDC =  540 В
Выходной ток Iout = 21,5 A
Частота переключения Fsw = 4000 Гц
Максимальный наклон характеристики переключения dv/dt = 5 кВ/мкс
Выходная частота fo = 50 Гц
Коэффициент мощности cosφ = 0,85
Индекс модуляции mi = 1

Уменьшенный размер

Сниженные потери энергии, повышенная удельная мощность и более высокая рабочая температура являются основными преимуществами систем на основе IGBT7.

Производители обычно выпускают в корпусе одинакового типоразмера приводы для двигателей нескольких классов мощности. Благодаря имеющейся у TRENCHSTOP™ IGBT7 повышенной удельной мощности возможно расширение модельного ряда в существующих типоразмерах.

Ниже приведен пример применения приводов общего назначения (GPD). Основное внимание уделяется увеличению удельной мощности, что приводит к снижению стоимости системы. Этого можно добиться, используя уменьшенный в габаритах на 40% силовой модуль Easy 1B вместо Easy 2B. Моделирование температуры перехода проводилось в условиях перегрузки, предполагавших нормальный (ND) и тяжелый (HD) режимы работы для двигателя мощностью 7,5 кВт (ND) и 5,5 кВт (HD) [4].

В обоих случаях можно использовать IGBT7 в корпусе Easy 1B. Более того, из-за более высокой рабочей температуры затраты на систему охлаждения могут быть снижены. На рисунке 5 показан один из примеров для нормальной перегрузки, составляющей 150% в течение 3 с и 110% в течение 60 с при выходном токе базовой нагрузки 17,8 А. Температура перехода Tvjop приведена в зависимости от теплового сопротивления теплоотвода R thHA (на переключатель). IGBT7 может работать с более низкой температурой при таком же RthHA. В качестве альтернативы, основываясь на высокой рабочей температуре 175°C, можно использовать более высокое значение RthHA, что позволяет использовать простой радиатор (например, обычную штамповку) или менее мощный вентилятор.

Температура перехода как функция RthHA для нормального режима (ND) в сравнении FP25R12W2T4 (Easy 2B) с FP25R12W1T7 (Easy 1B)

Рис. 5. Температура перехода как функция RthHA для нормального режима (ND) в сравнении FP25R12W2T4 (Easy 2B) с FP25R12W1T7 (Easy 1B)

Заключение

Сравнительные испытания IGBT4 и IGBT7 выявили очевидные преимущества последнего, особенно для применения в приводах с переменной скоростью. Результаты моделирования IGBT7 в корпусах Easy 1B и Easy 2B свидетельствуют о значительно повышенной в сравнении с IGBT4 удельной мощности. Это происходит потому что IGBT7 может обеспечить такой же номинальный ток при уменьшенных габаритах корпуса. Кроме того, IGBT7 был оптимизирован в соответствии с требованиями систем изоляции двигателей для работы на уровне 5 кВ/мкс по dv/dt.

В результате выяснилось, что IGBT7 является привлекательным решением для приводов с переменной скоростью, требующих высокой эффективности и удельной мощности.

Производитель: Infineon Technologies Ag (Siemens Semiconductors)
Наименование
Производитель
Описание Корпус/
Изображение
Цена, руб. Наличие
FP10R12W1T7B11BOMA1
Infineon Technologies Ag (Siemens Semiconductors)
Арт.: 3154528 ИНФО
Доступно: 16 шт. от 1 шт. от 3802,82
Выбрать
условия
поставки
IGBT MODULE, 1.2KV
FP10R12W1T7B11BOMA1 от 1 шт. от 3802,82
16 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
FS100R12W2T7B11BOMA1
Infineon Technologies Ag (Siemens Semiconductors)
Арт.: 3154531 AN
Доступно: 10 шт. от 1 шт. от 6325,07
Выбрать
условия
поставки
IGBT MODULE, 1.2KV
FS100R12W2T7B11BOMA1 от 1 шт. от 6325,07
10 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки

Сравнение позиций

  • ()