Транзисторы шестого поколения

IGBT-транзисторы  International

Rectifier шестого поколения

Людмила Горева

l.goreva@compel.ru

В последнее время сектор элементной базы для силовой электроники  бурно

развивается. Базовыми элементами силовых регулирующих устройств  являются

мощные ключи. Их основными  параметрами являются предельные напряжения

и ток, а также быстродействие и эффективность передачи энергии. В качестве

мощных ключевых элементов  используются MOSFET_транзисторы, IGBT_

транзисторы и тиристоры. В тех областях, где требуется  сочетание высоких рабочих

напряжений и токов, доминируют IGBT_транзисторы. Они могут использоваться

в виде дискретных приборов, бескорпусных кристаллов в составе гибридных

силовых модулей и интеллектуальных силовых модулях различных приводов.

Рис. 1. IGBT можно

представить как комбинацию

биполярного p_n_p транзистора

и MOSFET Рис. 2. Эволюция технологии IGBT_транзисторов в IR

Силовая Электроника, № 4’2009 Силовая элементная база

28 www.power_e.ru

для управления электроприводом, продукты

платформы SupIRBuck, микроэлектронные

твердотельные реле. В настоящий  момент

фирма выпускает широкую номенклатуру

IGBT, для производства которых исполь-

зуются технологии 4-го (4 PT IGBT), 5-го

(5 Non-PT IGBT) и 6-го поколений (DS Trench

IGBT). Для первых двух технологий в полевом

транзисторе используется планарный затвор,

а в последнем (DS Trench) — вертикальный.

Собственно, структуры приборов для  данных

технологий разработаны уже давно и исполь-

зуются производителями на протяжении мно-

гих лет. Все дело в нюансах, которые дают воз-

можность производителю реализовать те или

иные преимущества технологии. И  цена про-

изводства кристалла имеет не последнее зна-

чение. На рис. 2 показана эволюция техноло-

гии IGBT-транзисторов фирмы IR.

Новые транзисторы оптимизированы для

работы на частотах переключения до 20 кГц,

и для снижения энергии потерь на проводимо-

сти и переключении в них использована Trench-

технология. Эти IGBT с антипараллельным

ультрабыстрым диодом имеют энергию  пере-

ключения ETS и более низкое напряжение насы-

щения коллектор-эмиттер VCE(on), чем IGBT PT

и NPT типа. Кроме того, ультрабыстрый  диод

с мягким восстановлением дополнительно  по-

вышает эффективность преобразования и сни-

жает уровень генерируемых помех.

Технология

с вертикальным затвором

Для данного типа технологии затвор полево-

го транзистора сформирован в виде глубокой

канавки (trench gate) на подложке (рис. 2). При

изготовлении Trench-FS (Field Stop) транзисто-

ров используется буферный n+ слой в основа-

нии подложки. В сочетании с модифицирован-

ной конструкцией эмиттера структура  затвора

позволяет оптимизировать распределение  но-

сителей в области подложки и уменьшить на-

пряжение насыщения транзисторов Trench-FS

на 30% по сравнению с транзисторами, создан-

ными по технологии NPT. Уменьшается почти

на 70% и площадь кристалла, обеспечивается

большая плотность тока транзистора.

Технология Trench немного сложнее и до-

роже, чем NPT. Однако уменьшение размера

кристалла Trench-FS снижает его удельную се-

бестоимость, что в итоге позволяет уравнять

цены на готовую продукцию по отношению

к аналогичным приборам, производимым

по другим технологиям. Кроме того, благо-

даря снижению энергии потерь, при равно-

ценной площади кристалла существенно  воз-

растает ток транзистора (до 60%).

У вертикального затвора, в отличие  от пла-

нарного, отсутствуют горизонтальные пути

протекания тока. Ток течет к  коллектору

по кратчайшему пути, что обеспечивает сни-

жение потерь на проводимость. Trench IGBT

имеют самый низкий уровень статических

и динамических потерь среди IGBT, произ-

водимых компанией. У новых Trench IGBT

благодаря уменьшению длины «хвоста» обе-

спечивается более плавная траектория пере-

ключения, чем у NPT IGBT. «Хвостом» (tail

current) называется остаточный ток коллекто-

ра биполярного транзистора IGBT, возникаю-

щий из-за рассасывания носителей в области

базы после запирания транзистора. Благодаря

этому энергия выключения стала  на 10–20%

ниже, чем у NPT IGBT.

Линейка 600 В IGBT_транзисторов

Trench 6_го поколения

Семейство 600-вольтовых Trench IGBT

в первую очередь ориентировано  на исполь-

зование в UPS-источниках и преобразовате-

лях солнечной энергии мощностью  до 3 кВт.

Силовые приборы этого семейства  могут

также служить эффективной заменой  анало-

гичных IGBT-транзисторов в системах управ-

ления приводом компрессоров в холодильни-

ках, индукционных системах нагрева, а также

в приводах мощных вентиляторов. Приборы

позволяют на 30% снизить мощность рас-

сеивания по сравнению с IGBT других типов.

Компания разработала линейку  из 8 приборов

в корпусах TO-220ТО-247, с рабочим напря-

жением 600 В и токами 4–48 А.

Для всех типов данных транзисторов ис-

пользуются кристаллы толщиной 70 мкм.

Гарантированное время выдержки режима

короткого замыкания — не менее 5 мкс для

всех типов линейки.

Все корпусированные приборы выполнены

по схеме Co-Pack (имеют встроенный антипа-

раллельный ультрабыстрый диод). Основные

технические характеристики приведены  в та-

блице 1.

Система обозначений

для IGBT_транзисторов Trench

Для ранее разработанных IGBT-транзисторов

использовалась следующая система  обозначе-

ний (рис. 3).

В данной системе обозначений присутству-

ет суффикс, определяющий подкласс по бы-

стродействию прибора (таблица 2).

В процессе разработки новых приборов

возникла необходимость введения добавоч-

ных суффиксов, определяющих дополни-

тельные параметры транзисторов, поэтому

система обозначений была изменена (рис. 4).

Эта система, в частности, использовалась для

маркировки 600 В Trench IGBT.

После разработки технологии 1200 В Trench

IGBT (Gen 6.3+) фирма ввела новую систему

обозначений для новых IGBT-транзисторов

4-го и 6-го поколений, которая показана на рис.

5. Для ранее разработанных 600 В транзисто-

ров пока сохраняется маркировка, приведенная

на рис. 4.

Тип

транзистора Корпус Imax (25 °С), A Imax (100 °C), A Vce (175 °C), В Ets (175 °C), мкДж Rth(j-c), °C/Вт Мощность, кВт

IRGC4059B

IRGB4059D

б/корп.

ТО-220

8 4 2,2 210 2,7 0,8

IRGC4045B

IRGB4045D 12 6 2,14 329 1,94 1,0

IRGC4060B

IRGB4060D 16 8 1,95 405 1,51 1,2

IRGC4064B

IRGB4064D 20 10 2,00 415 1,49 1,3

IRGC4056B

IRGB4056D 24 12 1,97 540 1,07 1,5

IRGC4061B

IRGB4061D 36 18 2,5 855 0,73 2,0

IRGC4062B

IRGB4062D

IRGP4062D

б/корп.

ТО-220

TO-247

48 24 2,04 1260 0,6 2,5

IRGC4063B

IRGB4063D

б/корп.

ТО-220 96 48 2,10 3210 0,45 4,0

Параметры/подкласс Standard Fast Ultrafast

Vce, В 1,3 1,5 1,9

Энергия переключения,

мДж/A·мм2 0,54 0,16 0,055

Потери  проводимости, Вт

(при 50% постоянного тока) 0,625 0,75 0,95

Таблица 1. Основные параметры 600 В IGBT_транзисторов 6_го поколения Trench

Рис. 3. Первая система обозначений для транзисторов IGBT IR

Таблица 2. Классификация транзисторов

IGBT IR по быстродействию

Силовая Электроника, № 4’2009 Силовая элементная база

www.power_e.ru 29

Преимущества транзисторов

по технологии Trench

Напряжение в открытом состоянии Uce

на 30% ниже аналогичного параметра  для тран-

зисторов 4-го и 5-го поколений и обеспечивает

меньше рассеяние энергии на кристалле и на-

грев, повышается эффективность преобразо-

вания энергии. Меньшая емкость затвора обе-

спечивает большее быстродействие, упрощает

управление транзистором и снижает  уровень

динамических потерь.

Квадратная (Square) форма зоны допусти-

мых режимов безопасной работы обеспечива-

ет большую надежность прибора при работе

с критическими токами и напряжениями.

Незначительный остаточный ток  выключения

и малые потери выключения (EOFF) позволя-

ют транзисторам работать на более  высоких

частотах. На рис. 6 показаны сравнительные

характеристики допустимой рассеиваемой

мощности на кристалле для транзисторов

Trench и IGBT-транзисторов с планарным за-

твором.

Более высокая допустимая температура

кристалла (175 °С) обеспечивает расширение

диапазона рабочих температур и  повышает

надежность прибора. Температура  радиатора

при аналогичных режимах работы у транзи-

стора Trench будет ниже. Меньшие размеры

корпуса транзисторов Trench в сочетании с со-

кращением размеров радиатора позволяют

ужать печатную плату.

Параметры транзисторов 6-го поколения

обеспечивают более эффективное  преобразо-

вание энергии и могут быть рекомендованы

в качестве замены транзисторов 4-го и 5-го

поколений соответствующей мощности,

а также аналогичных транзисторов других

производителей.

Технология с вертикальным затвором ста-

ла разрабатываться компанией International

Rectifier уже тогда, когда на рынке получили

широкое распространение Trench IGBT дру-

гих производителей, в том числе и ведущих

в данном секторе фирм — Infineon и Toshiba.

Поэтому в процессе разработки линейки  но-

вого поколения IGBT-транзисторов перед

специалистами IR стояла сложная задача

достижения высоких параметров в сочета-

нии с низкой ценой, что позволило бы обе-

спечить конкурентоспособность продукции

на рынке.

Сравнение параметров IGBT-транзисторов

6-го поколения IR с аналогичными Trench

IGBT-транзисторами Infineon и Toshiba по-

казало, что по комплексу качеств  они не усту-

пают конкурентам, а по отдельным характе-

ристикам даже превосходят их.

Однако следует признать тот  факт, что

по некоторым параметрам IGBT-транзисторы

Infineon сохранили превосходство над транзи-

сторами IR. Проверка по методике International

Rectifier показала, что напряжение Uce в откры-

том состоянии для отдельных  типов транзи-

сторов Trench IGBT фирмы Infineon меньше

на 30%, чем у аналогичных по мощности тран-

зисторов IR. Быстродействие транзисторов IR

оказалось немного хуже, чем у  транзисторов

Рис. 4. Система обозначений для 600 В Trench IGBT_транзисторов

Рис. 5. Система обозначений для поколения Gen 6.3+

Рис. 6. Зависимость рассеиваемой мощности от среднеквадратичного выходного тока

Ic (Tc=100 °C,

Vge = 15 В), А Trench IGBT 6Gen NPT IGBT 5Gen PT IGBT 4Gen

4 IRGB4059D-PBF

TO-220

IRGB4B60KD1

IRGB4B60KD

IRG4BC10SD IRG4BC15MD

IRG4BC15UD IRG4BC10KD

6 IRGB4045D-PBF

TO-220

IRGB8B60KD

IRG4BC20SD

IRG4BC20FD

IRG4BC20MD

IRG4BC20UD

IRG4BC20KD

8 IRGB4060D-PBF

TO-220

10 IRGB4064D-PBF

TO-220

IRGB10B60KD

IRGB15B60KD

IRGP20B60PD

IRG4BC30SD

IRG4BC30FD

IRG4BC30MD

IRG4BC30UD

IRG4BC30KD

IRG4PC40UD

IRG4PC40W

12 IRGB4056D-PBF

TO-220

18 IRGB4061D-PBF

TO-220

24 IRGB4062D-PBF

TO-220 IRGP35B60PD

IRG4PC40UD

IRG4PC50UD

IRG4PC50W

IRG4PC40WD

48 IRGB4063D-PBF

TO-220

IRGP35B60PD

IRGP50B60PD IRG4PC50UD IRG4PC60

Таблица 3. Рекомендуемая замена транзисторов 4_го и 5_го поколений на транзисторы Trench

Силовая Электроника, № 4’2009 Силовая элементная база

30 www.power_e.ru

Infineon, но намного лучше, чем у Trеnch IGBT

фирмы Toshiba.

В настоящее время фирма Infineon явля-

ется лидером в разработке IGBT-технологий,

и проигрыш International Rectifier носит ско-

рее временный характер. В планах разработ-

чиков в ближайшее время достичь уровня Uce

и обеспечить быстродействие не хуже, чем

у Infineon. В таблице 5 приведены аналоги

транзисторов IR и Infineon для выбора аль-

тернативной замены.

1200_вольтовые Trench IGBT

Первые члены этого модельного ряда тран-

зисторов были представлены на рынке в на-

чале 2009 г. В таблице 6 приведены параметры

линейки IGBT-транзисторов IR с рабочим  на-

пряжением 1200 В.

Области применения 600 и 1200 В

IGBT_транзисторов 6_го поколения

Применение Trench IGBT-транзисторов

позволяет повысить эффективность  работы

силовых модулей в различных  приложениях.

Области применения Trench IGBT:

• АС/DC, DC/AC-преобразователи;

• инверторы солнечных батарей;

• системы индукционного нагрева;

• преобразователи напряжений в гибридных

автомобилях;

• электропривод в стиральных машинах;

FGA25N120FTD Fairchild IKW25N120T2 Infineon IRG7PH42UDPBF IR

Technology FS Trench

Vce(on) (10 A), В 1,5 1,5 1,40

Vce(on) (20 A), В 1,8 1,8 1,75

Eoff (10 A, 600 В), мкДж 700 800 550

Eoff (20 A, 600 В), мкДж 1150 1700 950

Rth(j-c), °C/Вт 0,4 0,43 0,38

Таблица 4. Сравнение ключевых параметров IGBT_транзисторов

по технологии Trench от разных производителей

Транзисторы

Infineon Транзисторы IR Близость аналогов Корпус

SKP04N60,

IKP04N60T IRGB4059TRPPBF Прямая замена ТО-220

SKP06N60,

IKP06N60T IRGB4045TRPPBF Прямая замена ТО-220

IKA10N60T IRGB4060TRPPBF – ТО-220

SKP10N60,

IKA10N60T IRGB4064TRPPBF Близкая замена ТО-220

IKW50N60 IRGB4063TRPPBF Близкая замена ТО-247

Таблица 5. Аналоги транзисторов Infineon и IR

Тип Vce(on), В Ic (100 °C), А Tsc, мкс Частота, КГц Исполнение

Co-Pack/Single switch Корпус

IRG7PH30K10D 2,2 10 10 4–20 Встроенный диод TO-247

IRG7PH30K10 2,2 10 10 4–20 Только ключ TO-247

IRG7PSH73K10 2,2 90 10 Только ключ TO-247

IRG7PH35UD 1,9 20 0 Встроенный диод TO-247

IRG7PH42UD 1,8 30 0 5–40 Встроенный диод TO-247

IRG7PH46UD 1,8 40 0 Встроенный диод TO-247

IRG7PSH50UD 1,8 50 0 Встроенный диод Super TO-247

Таблица 6. Параметры транзисторов 1200 В IGBT по технологии Trench_FS

Примечание. H — 1200 В. D — наличие встроенного быстродействующего антипараллельного диода. 7–6-поколение IGBT

от IR — технология c вертикальным затвором (Trench-FS).

Область применения Сектора Напряжение

питания, В

Напряжение  в

преобразователях  Sw, В Частота, КГц Низкое Vce Малые дин. потери Ets Tsc, мкс Поколение

IGBT

Электроприводы

Промышленный сектор

240 600 4–16 10 5; 6.2; 6.2i

480 1200 10 5; 6.7K

Бытовой сектор

110 330 3 да 2 6

230 600 6.2; 6.8; 4F

Гибридные автомобили

240 600 20 да 6

480 1200 6 6.8

Корректоры мощности

(PFC)

600 20, 40, 80 да – 5W; 6.2

900 20, 40 да – 4W; 6.7U

Источники

бесперебойного питания

(UPS)

230 600 – 6.2

480 900 – 6.7U

Сварочные инверторы

600 20 да – 5; 6.2

600 100 да – 4S

1200 20 да – 5; 6.7U

1200 100 да – 4S

Инверторы солнечных