Trench 4 – универсальная технология IGBT

Андрей Колпаков, инженер ООО «СЕМИКРОН»
Ул. Б.Пушкарская, 41, С-Петербург, 197101, Россия
Тел./факс: (+7812) 232-9825, e-mail: Andrey.Kolpakov@semikron.com

Annotation – main features of new IGBT Trench 4 technology and CAL 4 fast diode technol-ogy, analysis of the static and dynamic behaviour of IGBT T4
Keywords – IGBT, technology, static behaviour, dynamic behaviour
ВВЕДЕНИЕ
Использование новых типов кристаллов IGBT в стандартных конструктивах дает возможность увеличить техническую эффективность и мощностные характеристики силовых преобразовательных устройств без изменения их конструкции. В модулях семейств MiniSKiiP, SEMiX, SEMITRANS и SKiM, производимых компанией SEMIKRON начиная с 2007 года, применяются чипы нового поколения: Trench 4 IGBT от Infineon и антипараллельные диоды CAL 4 собс-венной разработки. Улучшенные технические харак-теристики силовых ключей серии Т4 позволяют им с успехом заменить практически все используемые в настоящее время типы низковольтных IGBT. Основ-ные особенности технологии Trench Field Stop были подробно рассмотрены в [1]. Предлагаемая статья по-священа вопросам применения компонентов 4 поколения.

Рис. 1. Уменьшение размера кристаллов IGBT и напряжения насыщения VCEsat

На рисунке 1 показано как исторически шло уменьшение площади чипов IGBT, сопровождающееся соответствующим улучшением характеристик проводимости. С появлением 4 поколения IGBT, выполненных по технологии Trench Field Stop, плотность тока повысилась с 85 А/см2 (SPT IGBT) и 115 А/см2 (T3 IGBT) до рекордного на сегодняшний день пока-зателя 130 А/см2.
Размер чипов IGBT Т4 рассчитан из условия достижения оптимального соотношения между стоимо-стью, электрическими и тепловыми характеристиками. Следует отметить, что неизбежной платой за уменьшение активной площади полупроводников яв-ляется повышенное тепловое сопротивление и худшая стойкость к режиму короткого замыкания. Для преодоления проблем, связанных с повышением плотности мощности, необходимо снижать уровень потерь.
При переходе от второго к третьему поколению IGBT усилия производителей были направлены на уменьшение потерь проводимости (напряжения насыщения VCEsat). Основной задачей, поставленной при разработке Trench 4 IGBT, стало улучшение динами-ческих характеристик и обеспечение более плавного характера переключения.
Кроме того, для повышения перегрузочной способности диапазон рабочих температур должен быть расширен до величины не менее Tjmax = 175C, такое требование выдвигаются в первую очередь производителями транспортных приводов. Если учесть, что стандартным значением «теплового запаса» для пиковых перегрузок считается 25C, то для кристаллов 4 поколения номинальной долговременной рабочей температурой является 150C. В пересчете на выход-ную мощность 3-фазного инвертора это означает прибавку не менее 20% по сравнению с модулями, у ко-торых величина Tjmax ограничена на уровне 125C.
Кристаллы IGBT4 созданы на основе Trench технологии 3 поколения, которая используется при произ-водстве модулей SEMIKRON 066, 126 и 176 серий с рабочим напряжением 600, 1200 и 1700 В соответственно. Эти компоненты отличаются очень хорошими характеристиками проводимости: напряжение насыщения VCEsat модулей 126 серии при номинальном токе и температуре 25С не превышает 1,7 В, для компонентов 066 серии VCEsat = 1,45 В. Однако уровень динамических потерь у них достаточно высок, и в ре-жиме «жесткой коммутации» применение ключей данного типа на частотах выше 5…7 кГц нецелесообразно.
Существенное улучшение характеристик было достигнуто благодаря оптимизации основных элемен-тов вертикальной структуры чипа: n- – базы, n-Field Stop слоя, предназначенного для повышения напряжения пробоя, и эмиттера. В результате модернизации Trench технологии удалось снизить суммарное значение потерь в широком диапазоне частот и обеспечить более плавный характер переключения. Не менее важным достижением является увеличение допусти-мой рабочей температуры Tjmax кристаллов с 150°C до 175°C. Благодаря этому применение нового поколения модулей IGBT позволяет увеличить запас по перегрузке в динамических режимах и повысить надежность работы преобразователей.
В таблице 1 приведены основные характеристики IGBT различных типов, определяющие мощность потерь. Для корректности сопоставления значения параметров даны при температуре Tj = 125°C, а для чипов 4 поколения добавлены соответствующие величины для Tj = 150°C.

Таблица 1. Сравнительные характеристики IGBT различных поколений
(рабочее напряжение 1200 В, номинальный ток кристалла – 100 А)
Параметр, единица измерения Trench IGBT3 Trench IGBT4 / 150С
Напряжение насыщения VCEsat, В (@ ICnom, 25С) 1,7 1,8
Напряжение насыщения VCEsat, В (@ ICnom, 125С) 2,0 2,1 / 2,2
Энергия переключения Еsw, мДж (@ 125С) 27 19 / 21
Тепловое сопротивление Rth(j-c), С/Вт 0,22 0,27
Заряд затвора QG, мкКл
(@ VGE = -8/+15 B) 0,9 0,57
Температура кристалла Tjmax, С 150 175


Рис. 2. Зависимость энергии потерь модуля SKM 200GB12T4 от температуры кристалла Tj (А) и сопро-тивления затвора RG (B)

Как было отмечено выше, IGBT новой генерации отличаются пониженным уровнем динамических потерь. Значение параметра Eoff у силовых ключей серии T4 даже несколько меньше, чем у наиболее универсальных на сегодняшний день модулей SPT, а по сравнению с Тrench IGBT третьего поколения этот показатель улучшен на 30%. Причем это сравнение справедливо как для стандартных условий измерения (125С), так и для новых (155С), оговоренных в спецификации.
В зависимости от температуры кристалла, энергия потерь Esw может быть рассчитана в соответствии с выражением, использующим линейный температурный коэффициент ТС:
Esw(Tj) = Esw(150°C) × (1− TC × (150°C − Tj))
где ТСI = 0,0034 для IGBT, ТСD = 0,006 для антипараллельного диода.
На графиках (рис. 2а) показаны измеренные и расчетные значения Esw для различных температур Tj.

Рис. 3. Зависимость времени t и скорости переклю-чения di/dt от резистора затвора RG

Процессы, происходящие при выключении Trench IGBT и модулей других современных типов (SPT или NPT), заметно отличаются. Главное различие состоит в том, что время tf и потери выключения Eoff для ком-понентов, производимых по Trench технологии, прак-тически не зависят от величины сопротивления затвора RG.

Рис. 4. «Полумягкий» (А) и жесткий (В) режим ко-роткого замыкания

Очень важным показателем IGBT, характеризующим надежность работы ключа в динамических режимах, является нормированное время короткого замыкания tsc – время, в течение которого модуль способен без повреждения проводить ток самоограничения, определяемый крутизной IGBT. До появления тонкопленочных технологий этот показатель обычно рав-нялся 10 мкс при комнатной температуре. Для современных силовых ключей значение tsc пришлось сократить до 5-6 мкс из-за невозможности быстро рассеивать в тонком кристалле огромное количество энергии, выделяемой в режиме КЗ.
Существует несколько разновидностей состояния короткого замыкания, два из которых показаны на рисунке 4:
• «полумягкий» режим (4а) – IGBT включается на КЗ нагрузку (отрезок кабеля с нормированной рас-пределенной индуктивностью) при Tj = 150°C, VCC = 900 В, VCE(max) = 1160 В, ICM = 1715 A, RG(off) = 15 Ом;
• «жесткий» режим (4b) – оба IGBT полумоста от-крываются одновременно при Tj = 150°C, VCC = 900 В, VCE(max) = 1136 В, ICM = 1524 A, RG(off) = 15 Ом;

Где:
Tj – температура кристалла,
VCC – напряжение DC шины,
VCE(max) - максимальное напряжение на DC термина-лах модуля,
ICM = 1524 A – ток отключения,
RG(off) = 15 Ом – сопротивление затвора при выключе-нии.

При напряжении питания VCC = 600 В безопасное отключение IGBT может происходить при номиналь-ном значении резистора затвора. При повышении на-пряжения DC шины необходимо обеспечить т.н. режим «плавного» выключения (STO – Soft Turn-Off или SSD – Soft Shut-Down), т.е. снизить скорость выключения. Это достигается с помощью увеличения номи-нала резистора затвора RGoff или за счет использования специальной траектории изменения VGE, например введения промежуточной ступеньки управления VGoff = 0.
Точное значение сопротивления затвора для режима SSD определяется экспериментально, оно должно обеспечивать отсутствие опасных выбросов напряже-ния при отключении режима КЗ. Амплитуда этих перенапряжений зависит от скорости выключения и величины паразитной индуктивности цепи LS. Как показано на рисунке 4, уровень выбросов зависит также от типа КЗ. К выбору величины RGoff надо относиться очень аккуратно, т.к. его неоправданное увеличение может привести к опасному росту потерь выключе-ния.

ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ СОВМЕСТИМОСТЬ
Состав спектра электромагнитных помех инвертора завит в основном от градиентов тока IC(t) и напря-жения VCE(t), образующихся при коммутации силовых ключей. Для современных полупроводниковых модулей средней мощности достижимы скорости измене-ния напряжения до 10 кВ/мкс и тока – до 10 кА/мкс (при комнатной температуре). С ростом температуры характер коммутации становится более плавным, и указанные значения градиентов снижаются на 50…60%.
Скорость спада тока при выключении di/dt практи-чески линейно зависит от IC, а при возрастании напряжения DC-шины она увеличивается незначительно. Довольно неожиданным является тот факт, что di/dt для Trench 4 практически не спадает с ростом сопротивления затвора, как показано на рисунке 3b. В действительности в определенном диапазоне увеличение RG даже несколько повышает скорость выключения тока, и только при больших величинах сопротивления di/dt снова начинает падать. Этот эффект вызван накоплением носителей заряда в базе транзистора в момент выключения: при малых значениях RG электроны задерживаются в базовой области IGBT, большой накопленный заряд является причиной достаточно плавного наклона характеристики выключения. При увеличении резистора затвора, MOS канал IGBT структуры оказывается полностью закрытым в момент, когда ток начинает спадать. При этом электронов, которые могли бы создать дополнительный ток, уже нет, а оставшееся небольшое количество дырок быстро рассасывается, что приводит к увеличению скорости выключения. Данный процесс подробно описан в [3].

КОММУТАЦИОННЫЕ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЯ

Рис. 5. Зависимость амплитуды переходных пере-напряжений от резистора затвора RG (IC = 2IСnom = 600 A, VDC = 600/800 B, модуль SKM300GB12T4): при нормальной (RT) и повышенной температуре (А), при различных напряжениях DC-шины (В)

Резкий спад тока коллектора, происходящий при выключении силового модуля, вызывает появление импульсных перенапряжений dV, наводимых на паразитных индуктивностях LS коммутируемых цепей: dV = LS  di/dt. Коммутационные пики добавляются к напряжению DC-шины и образующийся в результате суммарный сигнал VCE = VDC + dV может превысить напряжения пробоя IGBT. Необходимо также учесть, что предельное значение VCEmax является характеристикой кристалла, а из-за наличия внутренней индуктивности выводов LCE напряжение на чипах в импульсных режимах всегда выше, чем на DC термина-лах модуля на величину LCE  di/dt. В зависимости от конструкции модулей и скорости выключения эта разница может достигать 100 и более вольт.
Измерения, проведенные на дополнительных сиг-нальных выводах коллектора и эмиттера (Ex, Cx), рас-положенных непосредственно рядом с чипом IGBT, показали, что наибольшее значение перенапряжения VCEmax наблюдается на «холодном» кристалле (см. рис 5а). При увеличении в некоторых пределах резистора затвора RG возрастает как скорость выключения di/dt, так и амплитуда выбросов, как показано на рисунке 5b. Ограничить уровень перенапряжения становится возможным только при достаточно больших значени-ях RGoff (> 20 Ом для модуля с номинальным током 300 А), что естественно ведет к заметному росту по-терь выключения. При работе с большими уровнями напряжения DC-шины (VDC > 800 B) между DC терминалами модуля должен быть установлен снабберный конденсатор (см. рис 5b). Кроме того, для предотвращения пробоя силового ключа в режиме КЗ в этом случае рекомендуется использование режима «плавного» отключения.

ВНУТРЕННИЙ РЕЗИСТОР ЗАТВОРА RGINT
Чтобы обеспечить синхронное управление кристаллами, соединенными в параллель внутри модуля, каждый из них должен иметь индивидуальный резистор затвора. Это необходимо для компенсации разброса напряжения открывания VGE(th), на что следует обращать особое внимание при проектировании: достаточно распространенной ошибкой является непо-средственное соединение затворов параллельных модулей. Разница в значении VGE(th) (см. рис. 6b) приводит к тому, что чип с минимальным VGE(th) откроется первым и примет на себя всю токовую нагрузку. Этот эффект усугубляется тем, что напряжение отпирания затвора имеет отрицательный температурный коэффициент. IGBT с большим пороговым напряжением откроется с задержкой t11, определяемой временем включения модуля с меньшим VGE(th). Напомним, что длина горизонтального участка характеристики затвора зависит от значения емкости Миллера «коллектор – затвор» Ccg. Спадающее напряжение на коллекторе дифференцируется этой емкостью и создает ток, ком-пенсирующий ток включения.
Для решения проблемы существует простое и хорошо известное решение: все параллельно соединенные ключи должны иметь индивидуальные и одинаковые резисторы затвора. В этом случае напряжение на каждом затворе будет нарастать независимо и разница времени задержки включения не превысит t1, как показано на рисунке 6а.

Рис. 6. Задержка при включении параллельных IGBT: А – при использовании раздельных резисторов затвора, В – при использовании общего резистора затвора

В зависимости от номинального тока кристалла IC-nom SEMIKRON использует следующие номиналы за-творных резисторов:
RGint = 10 Ом (ICnom = 75 A)
RGint = 7,5 Ом (ICnom = 100 A)
RGint = 5 Ом (ICnom = 75 A)
RGint = 2 × 5 Ом (ICnom = 300 A; 2 чипа в параллель с ICnom = 150 A)
RGint = 4 × 7,5 Ом (ICnom = 400 A; 4 чипа в параллель с ICnom = 100 A)

Отметим, что при нормировании динамических характеристик IGBT внутренний резистор затвора не включается в справочное значение RG, под которым подразумевается только внешнее сопротивление. Тем не менее, величину RGint необходимо учитывать при расчетах нагрузочных параметров драйвера: предель-ного тока управления IGM или минимального резистора затвора RGmin.

АНТИПАРАЛЛЕЛЬНЫЕ ДИОДЫ
Для того чтобы модернизированные кристаллы IGBT наиболее полно проявили свои преимущества, они должны использоваться с антипараллельными диодами, согласованными с ними по плотности мощности, статическим и динамическим характеристикам. Для решения этой задачи фирмой SEMIKRON было создано четвертое поколение быстрых диодов на основе собственной технологии CAL (Controlled Axial Lifetime), главными отличительными особенностями которой являются плавный характер переключения во всем диапазоне рабочих токов, высокий иммунитет к dI/dt и малый ток обратного восстановления.
При разработке CAL-диодов 4 поколения основное внимание уделялось обеспечению плавной кривой обратного восстановления dIrr/dt и согласованию характеристик восстановления с динамическими свойствами Trench 4 IGBT. Усовершенствование структуры кристаллов позволило на 30% повысить допустимое значение плотности тока, при этом потери переключения остались на уровне, достигнутом в диодах предыдущей генерации CAL3. Использование нового способа пассивации DLC (Diamond Like Carbon) дало возможность увеличить значение предельной рабочей температуры чипов до 175С и добиться наилучшего согласования параметров диодов CAL4 с характеристиками IGBT Trench 4.

ВЗАИМОЗАМЕНЯЕМОСТЬ
Для большинства применений замена модулей IGBT предыдущих серий на компоненты 4 поколения дает очевидные преимущества: снижение уровня потерь, уменьшение коммутационных перенапряжений, улучшение электромагнитной совместимости. Суще-ственно меньше оказывается потребляемая от драйвера мощность, т.к. величина заряда затвора QG для силовых ключей Trench 4 снижена более чем на 30%.

Рис. 7. Зависимость максимального выходного то-ка 3-фазного инвертора от частоты коммутации Iout(rms) = f(fsw)

Однако для получения максимального эффекта от применения модулей новой генерации требуется некоторая адаптация схемы управления. В первую очередь рекомендуется изменить соответствующим образом резистор затвора RG. Если, например, SKM200GB12T4 установить вместо SKM200GB128D (SPT-IGBT), то величина RG должна быть уменьшена с 7 Ом до 1 Ом. Использование номинала, рекомендованного для SPT, приведет к увеличению потерь включения с Eon(1 Ом) = 21 мДж до Eon(7 Ом) = 44 мДж (см. рис. 2).
При использовании силовых ключей поколения Trench 4 необходимо учитывать, что они рассчитаны на более высокую рабочую температуру (Tjnom = 155°C, Tjmax = 175°C). Это означает, что модули новой генерации обеспечивают в инверторных применениях соответствующий запас, как по номинальному току, так и по току перегрузки.
Сказанное подтверждается графиками, приведенными на рисунке 7, где показана зависимость максимального выходного тока 3-фазного инвертора от частоты коммутации для трех типов IGBT: Trench 3 (SKM 400GB126D), SPT (SKM 400GB128D) и Trench 4 (SKM 300GB12T4). Расчеты выполнены для следую-щих условий эксплуатации:
• Напряжение DC-шины Vcc = 650 В;
• Выходное напряжение Vout = 400 В;
• Частота выходного сигнала fout = 50 Гц;
• Температура окружающей среды Та = 40°C;
• Тепловое сопротивление радиатора Rth(s-a) = 0,031 °C/Вт.
Эпюра для модулей нового поколения (SKM 300GB12T4) при Tj = 125°C во всем диапазоне частот практически совпадает с кривой предельного тока для силовых ключей, выполненных по технологии SPT (SKM 400GB128D). Однако поскольку для компонентов серии Т4 все режимы гарантируются при Tjmax = 150C, то соответственно максимально допустимый ток у них оказывается на 10-15% выше, что подтверждается соответствующим графиком на рисунке 7.
Следует отметить, что предельный ток преобразователя зависит от ряда параметров, важнейшими из которых являются статические и динамические потери, а также их соотношение, все эти показатели достаточно корректно можно определить только для кон-кретных условий применения. Однозначный ответ на может дать только тщательный тепловой расчет. Наи-более удобным и простым средством проведения ана-лиза температурных режимов является программа теплового расчета Semisel, интерактивная версия ко-торой доступна на сайте www.semikron.com.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Над модернизацией и совершенствованием модулей IGBT в типовых конструктивах работают практически все фирмы-изготовители. В производственной программе SEMIKRON семейство стандартных модулей IGBT, включающее 5 типов корпусов, носит название SEMITRANS. К новым промышленным стандартам можно отнести и последнюю генерацию силовых ключей SEMiX, завоевавших большую популярность благодаря своим очевидным конструктивным достоинствам. Применение новейших поколений чи-пов IGBT в стандартных конструктивах дает возмож-ность повышать эффективность и выходную мощность преобразователей без изменения их конструкции.
Усовершенствованная технология Trench 4 поко-ления позволяет расширить область рабочих частот, увеличить плотность мощности, обеспечить больший запас по перегрузкам. Для получения максимальной отдачи от использования 4 поколения чипов IGBT компания SEMIKRON разработала новую серию антипараллельных диодов CAL 4, наилучшим образом согласованных с Trench 4 по температурным и динамическим параметрам.

[1] А. Колпаков. «T4 – универсальная технология IGBT». Силовая Электроника №3, 2007г.
[2] Ralph Annacker, Reinhard Herzer, «IGBT4 Technol-ogy Improves Application Performance», SEMIKRON International, 2007.
[3] H. Hüsken and W. Frank; Balancing losses and noise considerations for choosing the gate resistor, PCIM 2006; Nuremberg
[4] M. Freyberg, U. Scheuermann, «Measuring Thermal Resistance Of Power Modules», PCIM 05/03 p. 34-38, 05/2003.
[5] Колпаков А.И.
Технологии IGBT:Текущее состояние и перспективы //Техн.електродинаміка. Тем.вип.»Силова електроніка та енргоефективність». Ч.2.-Київ, 2007,-с.3-8.