Оптимизация параметров антипараллельных диодов

модулей IGBT фирмы SEMIKRON

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.

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 Q RR и характеристика обратного восстановления dI rr /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 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.

Новые диоды CAL HD (Controlled Axial Lifetime — High Density)являются дальнейшим развитием технологии CAL-FWD. Они разработаны для использования в новых поколениях интеллектуальных силовых модулей SEMIKRON, где применяются современные транзисторы Trench IGBT.

зисторами 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 антипараллельным диодам: низкое прямое падение напряжения и малый ток обратного восстановления в сочетании с плавной кривой восстановления dI rr /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 p+для повышения напряжения пробоя и ограничитель канала n+. Неметаллизированная 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.

Для измерения характеристик обратного восстановления диодов CAL служит тестовая схема, приведенная на рис.3. На схеме приняты следующие обозначения: L _P1 и L _P2 — паразитные индуктивности линий связи, R _GON (R _GOFF )— импеданс схемы управления в режиме включения (выключения), L _L — индуктивность нагрузки.

После выключения транзистора IGBT диод находится в состоянии проводимости, поддерживая в индуктивности ток, прерванный транзистором. При открывании транзистора напряжение на диоде становится обратным. Наличие заряда обратного восстановления Q _rr диода приводит к протеканию тока обратного восстановления I _rr . В результате через транзистор при открывании течет сумма токов: тока нагрузки и пикового значения тока обратного восстановления I _rrm . Далее ток I _rr падает до установившегося значения в течение времени восстановления t rr . Ток обратного восстановления вызывает дополнительные динамические потери в оппозитном транзисторе IGBT и перенапряжение dV на паразитных индуктивностях L _P1 и L _P2 , уровень которого определяется скоростью изменения тока восстановления: dV=L PxdI _rr /dt. Именно поэтому «плавность » характеристики восстановления не менее важна, чем значение тока восстановления.

Таким образом, диод, работающий совместно с транзистором IGBT в качестве оппозитного, 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 Q _rr для снижения динамических потерь транзистора и уровня перенапряжения по шинам питания. Характеристики восстановления Q _rr и I _rrm определяются собственными параметрами диода, скоростью включения транзистора dI F /dt, зависящей от R _GON , током транзистора I _F и напряжением питания.

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 I F =75 A;
• напряжение шины питания V R =600 B;
• скорость нарастания тока включения транзистора dI F /dt =800 A/мкс.

Синие эпюры показывают напряжение на диоде, красные — ток диода. Для сравнения 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 I _rrm . Из-за большего времени жизни носителей в первом случае значение I _rrm несколько больше.

Динамические характеристики диода CAL HD при воздействии высокого значения dI/dt показаны на рис.5 для следующих условий работы:

• температура T =125 °C;
• ток транзистора I _F =75 A;
• напряжение шины питания V R =900 B;
• скорость нарастания тока включения транзистора dI F /dt =6250 A/мкс.

График демонстрирует высокий иммунитет нового поколения диодов в режиме «жесткого переключения » с максимальными скоростями коммутации.

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 dV _F /dT. Кроме того, при токах, больших 100 А, значение dV _F /dT становится положительным, что дает преимущество при параллельном соединении, когда рост температуры кристалла компенсируется снижением рассеиваемой мощности. Отрицательный температурный коэффициент може привести к разбалансу токов в предельных режимах работы и разрушению кристалла. При использовании диодов предыдущего поколения при параллельном соединении приходилось подбирать диоды с идентичным значением прямого напряжения.

Таблица 1.Сравнительные характеристики диодов CAL и CAL HD с одинаковым размером кристалла

Таблица 2.Параметры модуля SKM600GAL128D

В таблицах использованы следующие обозначения:

Q ^rr — заряд обратного восстановления;

I _rrm — пик тока обратного восстановления;

E _off — энергия выключения;

V _F — прямое падение напряжения диода;

J — плотность тока;

I _FSM — пиковый прямой ток;

I _F — средний прямой ток;

Tj — температура кристалла;

Tc — температура корпуса;

Ta — температура окружающей среды;

R _thjc — тепловое сопротивление «кристалл — корпус »;

V _CEsat — напряжение насыщения транзистора.

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 I rrm , минируют 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 dI _rr /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.

Литература

1. K.Haupl, B.Konig.CAL HD — An optimized Freewheeling Diode for Trench-IGBT Modules. Semikron Elektronik GmbH, Nurnberg, 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.

Андрей Колпаков

Статьи по: ARM PIC AVR MSP430, DSP, RF компоненты, Преобразование и коммутация речевых сигналов, Аналоговая техника, ADC, DAC, PLD, FPGA, MOSFET, IGBT, Дискретные полупрoводниковые приборы. Sensor, Проектирование и технология, LCD, LCM, LED. Оптоэлектроника и ВОЛС, Дистрибуция электронных компонентов, Оборудование и измерительная техника, Пассивные элементы и коммутационные устройства, Системы идентификации и защиты информации, Корпуса, Печатные платы