CC BY
59Компоненты и технологии, № 2'2003 Компоненты
Оптимизация параметров антипараллельных диодов
модулей ЮВТ фирмы 5ЕМ!К№М
Технология SKiiP, разработанная специалистами фирмы SEMIKRON, позволила создать интеллектуальные модули с уникальными тепловыми и электрическими характеристиками и отличными показателями надежности. Параметры мощных модулей IGBT во многом зависят от характеристик примененных антипараллельных диодов. Диоды CAL с контролируемым временем жизни носителей имеют оптимальное сочетание характеристик проводимости и обратного восстановления.
Эти диоды специально разработаны для применения в силовых модулях SEMIKRON. Данная статья посвящена особенностям применения диодов серии CAL и новой серии CAL HD, в которой значительно улучшены характеристики проводимости.
Андрей Колпаков
В интеллектуальных модулях IGBT SEMIKRON серии SKiiP с самого начала их производства использовались специально разработанные антипараллельные диоды с «мягкой» характеристикой восстановления, обеспечивающей минимальное значение динамических потерь. Технология производства антипараллельных диодов SEMIKRON называется CAL-FWD (Controlled Axial Lifetime — Free Wheeling Diode) [2]. При разработке диодов CAL особое внимание уделяется оптимизации соотношения таких параметров, как прямое падение напряжения VF, заряд обратного восстановления QRR и характеристика обратного восстановления dIrr/dt, поскольку они оказывают решающее влияние на потери, вносимые диодом.
Одним из основных требований, предъявляемых к высоковольтным модулям IGBT, является требование выдерживать без повреждения большие значения di/dt, возникающие при переключении. Транзисторы не должны выходить из строя от перенапряжений, создаваемых на паразитных индуктивностях линий связи за счет di/dt, а динамические потери, создаваемые током обратного восстановления, не должны приводить к значительному увеличению рассеиваемой мощности. Применение диодов CAL помогает решить данные проблемы. Например, в разрабатываемом в настоящее время высоковольтном модуле, рассчитанном на ток 1200 А и напряжение 3300 В, установлено параллельно шесть 200-амперных кристаллов. При включении скорость возрастания тока каждого транзистора составляет di/dt = 800 A/мкс (4800 А/мкс на модуль). При этом ток обратного восстановления не превышает 125 А за счет оптимальных характеристик восстановления диодов CAL. Кроме уменьшения значения перенапряжения, низкое значение тока обратного восстановления позволяет получить и меньшие потери включения. На рис. 1 показаны потери полумостового каскада
3,6 -
3,0
я 2,5
ф О 2,0
W X I— 1,5
0) X 1,0
m
0,5
0,0 L
2,9
1200А
1800V
1250С
0,95
0,85
IGT Turn-on IGT Turn-off IGT Turn-off
Рис. 1. Энергия потерь полумостового каскада (Ic = 1200 A)
при включении, при выключении и потери, вносимые антипараллельными диодами.
Благодаря низким значениям динамических потерь, оптимальной характеристике восстановления диодов и отличным конструктивным характеристикам, позволившим получить минимальные величины паразитных индуктивностей, модули SKiiP3, рассчитанные на напряжение 1200/1700 В, можно использовать без снабберов.
Металл
Пассивирующий слой
Рис. 2. Структура диода CAL HD
Новые диоды CAL HD (Controlled Axial Lifetime — High Density) являются дальнейшим развитием технологии CAL-FWD. Они разработаны для использования в новых поколениях интеллектуальных сило-
42
- www.finestreet.ru -
Компоненты и технологии, № 2'2003
вых модулей SEMIKRON, где применяются современные транзисторы Trench IGBT.
По сравнению со стандартными IGBT-транзисторами транзисторы, изготовленные по технологии Trench IGBT, отличаются более высокой плотностью тока и низкими динамическими потерями. Использование Trench IGBT особенно целесообразно в мощных модулях, работающих в режиме высокочастотной модуляции, где они позволяют получить минимальные потери и максимальную мощность. Отсюда вытекают и требования к антипарал-лельным диодам: низкое прямое падение напряжения и малый ток обратного восстановления в сочетании с плавной кривой восстановления dIrr/dt. Поскольку в мощных модулях часто приходится использовать параллельное соединение компонентов, то желательно также иметь положительный температурный коэффициент прямого напряжения.
Диоды CAL HD изготовлены по технологии, позволяющей оптимизировать время жизни и процесс рассасывания носителей в зоне p-n-перехода. На рис. 2 показана структура диода CAL HD. Основными особенностями новых диодов являются глубокая зона диффузии n+, примесная защитная структура р+ для повышения напряжения пробоя и ограничитель канала n+. Неметаллизиро-ванная поверхность диода покрыта пассивирующим слоем.
Время жизни носителей регулируется так называемым центром рекомбинации, индуцированным за счет облучения электронами высокой энергии и в процессе ионной имплантации. В результате образуется примесная область, состоящая из однородных компонентов в области базы и примесная область в зоне p-n-перехода. Для стабилизации плотности примеси используется процесс отжига при температуре 300 °С.
Компоненты
пряжение на диоде становится обратным. Наличие заряда обратного восстановления Рп диода приводит к протеканию тока обратного восстановления 1гг. В результате через транзистор при открывании течет сумма токов: тока нагрузки и пикового значения тока обратного восстановления 1ггш. Далее ток 1гг падает до установившегося значения в течение времени восстановления 1ГГ. Ток обратного восстановления вызывает дополнительные динамические потери в оппозитном транзисторе ЮБТ и перенапряжение ^ на паразитных индуктивностях Ьр1 и Lp2, уровень которого определяется скоростью изменения тока восстановления: ^^рх^гг/Л. Именно поэтому «плавность» характеристики восстановления не менее важна, чем значение тока восстановления.
Таким образом, диод, работающий совместно с транзистором ЮБТ в качестве оппозитно-го, должен быть оптимизирован по характеристикам проводимости и восстановления, то есть должен иметь минимальное прямое падение напряжения для снижения потерь проводимости и минимальный заряд обратного восстановления Qrr для снижения динамических потерь транзистора и уровня перенапряжения по шинам питания. Характеристики восстановления Qrr и 1ггш определяются собственными параметрами диода, скоростью включения транзистора Шр/Л, зависящей от КСС№ током транзистора !р и напряжением питания.
Для измерения характеристик обратного восстановления диодов CAL служит тестовая схема, приведенная на рис. 3. На схеме приняты следующие обозначения: LP1 и LP2 — паразитные индуктивности линий связи, RGOn (RgOff) — импеданс схемы управления в режиме включения (выключения), Ll — индуктивность нагрузки.
После выключения транзистора IGBT диод находится в состоянии проводимости, поддерживая в индуктивности ток, прерванный транзистором. При открывании транзистора на---------------------www.finestreet.ru -
Vr
600V :
(о) .
-50 А
+50 А
Chl 1,25V Ch2 100V M 200m Chi ■ 550mV
Vr
fe )V/\
-50 А
+50 А
Chl 1,25V Ch2 100V M 200m Chl ■ 550mV
Рис. 4. Обратное восстановление диодов CAL HD и CAL. Красная эпюра — ток, синяя — напряжение
Vr
о 43 —і— 0Vf
■ зо 0vi
-300 А
-150 А
-50 А 0
+50 А 1
Chl 1.25V Ch2 100V М 200n> Chl a 550inV
Рис. 5. Испытания диода CAL HD на устойчивость к воздействию dI/dt
процессов обратного восстановления стандартного и улучшенного диода на рис. 4, b приведены аналогичные графики для диода CAL. Диоды CAL HD имеют «мягкую» характеристику восстановления, аналогичную CAL, с выраженным «хвостом» тока (Tail current), наблюдаемым после пикового значения Irrm. Из-за большего времени жизни носителей в первом случае значение Irrm несколько больше.
Динамические характеристики диода CAL HD при воздействии высокого значения dI/dt показаны на рис. 5 для следующих условий работы:
• температура T = 125 °С;
• ток транзистора IF = 75 A;
• напряжение шины питания VR = 900 B;
• скорость нарастания тока включения транзистора dIF/dt = 6250 A/мкс.
График демонстрирует высокий иммунитет нового поколения диодов в режиме «жесткого переключения» с максимальными скоростями коммутации.
На рис. 4, a показан процесс обратного восстановления диода CAL HD в тестовой схеме рис. 3. Графики даны для следующих условий работы схемы:
• температура кристалла Tj = 125 °C;
• ток транзистора IF = 75 A;
• напряжение шины питания VR = 600 B;
• скорость нарастания тока включения транзистора dIF/dt = 800 A/мкс.
Синие эпюры показывают напряжение на диоде, красные — ток диода. Для сравнения
Основное преимущество диодов CAL HD по сравнению с диодами предыдущего поколения — низкое прямое падение напряжения, что иллюстрирует график на рис. 6. Падение напряжения снижено более чем на 700 мВ при токе 100 А. Поскольку потери на диодах вносят значительный вклад в общие потери проводимости IGBT-модуля, следует ожидать, что при использовании диодов CAL HD повысится эффективность модуля, особенно при работе на индуктивную нагрузку.
Как видно из графика, в усовершенствованных диодах также значительно снижен температурный коэффициент dVF/dT. Кроме того,
Компоненты и технологии, № 2'2003
Компоненты
Таблица 1. Сравнительные характеристики диодов CAL и CAL HD с одинаковым размером кристалла
Параметр Режим измерения SKCD 61C120 SKCD 61C120HD
Qrr, мкК T=125°C 11 18
L, A Vr = 600 B 45 51
Eoff, мДж IF = 75 A dl/dt = 800 А/мкс 4 5,3
Vf, B IF = 75 A To = 27 °C 2,25 1,53
To = 125 °C 2,05 1,53
J, A/см2 Tj = 150 °C Tc = 80 °C 126 153
!fsm, a Tj = 150 °C 720 840
Таблица 2. Параметры модуля SKM600GAL128D
Параметр IGBT CAL CAL HD
Rthjc, к/Вт 0,056 0,125 0,125
Vce«* B 2,2 - -
Eoff, мДж 4,42 0,89 1,17
Vf, B - 1,2 0,97
|£тах,А
120
— CAL HD — CAL
0123456789 10
Частота, кГц
Рис. 7. Зависимость максимального тока модуля ЗКМ6000А11280 от частоты
В таблицах использованы следующие обозначения:
Огг — заряд обратного восстановления;
!ггт — пик тока обратного восстановления;
Е0„ — энергия выключения;
Ур — прямое падение напряжения диода;
J — плотность тока;
!р5М — пиковый прямой ток;
!р — средний прямой ток;
Т| — температура кристалла;
Тс — температура корпуса;
Та — температура окружающей среды;
1?,!^ — тепловое сопротивление «кристалл — корпус»; УСЕіа, — напряжение насыщения транзистора.
при токах, больших 100 А, значение ^РМТ становится положительным, что дает преимущество при параллельном соединении, когда рост температуры кристалла компенсируется снижением рассеиваемой мощности. Отрицательный температурный коэффициент может привести к разбалансу токов в предельных ре-
жимах работы и разрушению кристалла. При использовании диодов предыдущего поколения при параллельном соединении приходилось подбирать диоды с идентичным значением прямого напряжения.
Сравнительные характеристики диодов CAL и CAL HD приведены в таблице 1. Необходимо отметить, что некоторый проигрыш в динамических параметрах диодов CAL HD компенсируется значительным снижением прямого падения напряжения, увеличением допустимой плотности тока и предельного значения тока.
Для оценки эффективности работы диодов нового поколения на различных частотах используется тестовая схема чоппера (рис. 3), в которой влияние параметров оппозитного диода наиболее четко выражено. В качестве чоппера с оппозитным диодом применен модуль SEMITRANS — SKM600GAL128D с транзистором Trench IGBT, параметры которого приведены в таблице 2. Модуль имеет два исполнения: с диодом CAL и CAL HD, что и позволяет провести сравнение. Результаты расчета максимального тока модуля в зависимости
от частоты при постоянной температуре радиатора Th = 40 °C и температуре кристалла Tj = 125 °C приведены на рис. 7. График демонстрирует, что применение диодов CAL HD оправдано при частотах до 7 кГц, на более высоких частотах динамические потери, обусловленные большим значением тока Irrm, доминируют над потерями проводимости.
Диоды семейства Controlled Axial Lifetime, разработанные для применения в модулях IGBT, имеют очевидные преимущества перед стандартными быстрыми диодами благодаря оптимальному сочетанию параметров проводимости и восстановления: низким прямым напряжением, малым током обратного восстановления и «мягкой» кривой обратного восстановления dIrr/dt. Указанные особенности обеспечивают как низкое значение потерь, так и отсутствие перенапряжений, возникающих из-за наличия паразитных индуктивностей шин питания модулей IGBT.
В модулях IGBT, предлагаемых SEMIKRON, применяются различные компоненты: транзисторы SPT и Trench IGBT, диоды CAL и CAL HD. Это позволяет пользователю выбрать компоненты, имеющие оптимальные характеристики для конкретного применения. ИИ
Литература
1. K. Haupl, B. Konig. CAL HD — An optimized Freewheeling Diode for Trench-IGBT Modules. Semikron Elektronik GmbH, Nürnberg, Germany.
2. J. Lutz. Axial Recombination Center Technology for Freewheeling Diodes.
3. А. Колпаков. SKiiP — интеллектуальные силовые модули IGBT фирмы SEMIKRON // Компоненты и Технологии. 2003. № 1.
4. А. Колпаков. Особенности применения силовых IGBT-модулей фирмы SEMIKRON // Электронные компоненты. 2002. № 6.
44
- www.finestreet.ru -
