Гибридные IGBT обеспечивают повышенную эффективность в электронных приложениях

Традиционные биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT) исторически страдали от значительных коммутационных потерь. Для эффективной работы такие IGBT требовали внешних диодов обратного хода (freewheeling diodes, FRD), например, кремниевых диодов с быстрым восстановлением (Si FRD), как показано на рисунке 1. Однако с появлением гибридных IGBT, в которых интегрированы карбид-кремниевые (SiC) диоды Шоттки (SBD), эта проблема была успешно решена.

Рисунок 1. Сравнение конфигураций силовых устройств

Растущий спрос на высокоэффективные силовые полупроводниковые приборы

Стремительная миниатюризация электронных устройств, их функциональное усложнение и повышенные требования к энергоэффективности обуславливают растущий спрос на высокоэффективные силовые полупроводники. IGBT широко используются в электронной промышленности, однако гибридные IGBT обеспечивают более высокую надёжность и подходят для требовательных промышленных и автомобильных применений, таких как:

бортовые зарядные устройства (OBC) для электромобилей,
инверторы солнечных электростанций (кондиционеры мощности),
источники бесперебойного питания (UPS),
инверторы кондиционеров,
электрические компрессоры, преобразователи постоянного тока (DC/DC) для электрических и гибридных транспортных средств (xEV).

Рисунок 2 Целевые области применения IGBT-транзисторов Rohm

Гибридные IGBT отвечают ключевым требованиям этих приложений: низкие коммутационные потери, низкое напряжение насыщения коллектор-эмиттер (V_CE(sat)), высокая эффективность преобразования мощности и конкурентоспособная стоимость. В частности, в бортовых зарядных устройствах они обеспечивают КПД свыше 97% и сохраняют стабильность в широком диапазоне рабочих частот. При частоте коммутации 100 кГц эффективность гибридных IGBT на 3% выше, чем у традиционных IGBT, что снижает общее энергопотребление и стоимость систем.

Как показано на рис. 3, традиционный IGBT с Si FRD демонстрирует КПД всего 94% при 100 кГц. Хотя SJ MOSFET и гибридные IGBT имеют сопоставимую эффективность, последние превосходят SJ MOSFET по стабильности при высоких частотах коммутации.

Рисунок 3 Сравнение эффективности преобразования энергии различных конфигураций силовых устройств

Преимущества интеграции SiC SBD с IGBT

Хотя как традиционные IGBT, так и SJ MOSFET изготавливаются на кремниевой основе, их структуры и характеристики различаются. IGBT подвержены потерям при включении и выключении (E_on и E_off) и требуют внешнего FRD для эффективной работы. В то же время SJ MOSFET обладают лучшими коммутационными характеристиками и не нуждаются во внешнем диоде, но уступают IGBT по допустимому напряжению, что ограничивает их применение в высоковольтных системах.

Рисунок 4 Эффект снижения потерь при включении за счет интеграции SiC SBD

Интеграция SiC SBD в качестве диодов обратного хода позволяет значительно снизить коммутационные потери. Как показано на рис. 4, гибридные IGBT с SiC SBD ограничивают ток утечки более чем на 10 А и сокращают время обратного восстановления до 60% по сравнению с традиционными IGBT с Si FRD. Это приводит к снижению коммутационных потерь на 67% по сравнению с обычными IGBT и на 24% по сравнению с SJ MOSFET (рис. 5).

Рисунок 5 Сравнение потерь в различных конфигурациях силовых устройств

Кроме того, SiC SBD обеспечивают более низкое прямое падение напряжения (V_f) в широком диапазоне температур перехода, что дополнительно повышает общую эффективность.

Преимущества гибридных IGBT в промышленных и автомобильных приложениях

Гибридные IGBT обеспечивают значительные улучшения по следующим ключевым параметрам по сравнению с традиционными решениями:

Снижение E_on и E_rec

Интеграция SiC SBD позволяет сократить энергию включения (E_on) и энергию обратного восстановления диода (E_rec) до 50%. Например, у традиционного IGBT RGW00TS65D значение E_on составляет 1,11 мДж, тогда как у гибридного IGBT — всего 0,57 мДж. Это снижает потери при коммутации и делает решение пригодным для высокотоковых и высоковольтных применений.

(Примечание: E_on включает в себя энергию обратного восстановления диода E_rec.)

Рисунок 7 Снижение Eon с помощью гибридного IGBT

Повышение коммутационной эффективности

Снижение E_on и E_rec напрямую уменьшает общие коммутационные потери — с 2,7 мДж до 1,4 мДж, что эквивалентно снижению на 47%. Это обеспечивает рост коммутационной эффективности на 3,2%, делая серию RGWxx65C пригодной для жёстких условий коммутации (hard switching).

Рисунок 8 Сокращение ESW за счет снижения Eon и Erec

Рисунок 9 График показывающий повышение эффективности переключения в гибридном IGBT

Снижение V_CE(sat)

Как показано на рис. 10, гибридные IGBT демонстрируют сниженное напряжение насыщения коллектор-эмиттер. При токе I_C = 60 А и температуре перехода T_j = 175°C значение V_CE(sat) для RGW00TS65C составляет 1,85 В, что на 0,05 В ниже, чем у аналога от конкурента D. При T_j= 25°C V_CE(sat) = 1,5 В, что на 0,15 В ниже, чем у традиционных IGBT. Благодаря применению технологии тонких пластин и поля остановки (field stop), достигает оптимального баланса между V_CE(sat) и коммутационными потерями, что способствует снижению общих потерь, повышению КПД и уменьшению температуры кристалла.

Снижение пикового напряжения (V_peak) при коммутации

Выбросы напряжения у гибридных IGBT значительно ограничены. Пиковое напряжение V_peak снижено с 519 В (у традиционных IGBT) до 478 В (рис. 11).

Рисунок 11 Сравнение пиковых значений V для компонентов D и Rohm

Кроме того, гибридные IGBT позволяют эффективнее снижать сопротивление затвора (R_g) для подавления ЭМП, одновременно уменьшая коммутационные потери (рис. 13).

Рисунок 12 График EOFF ON в зависимости от IC,SW

Общая эффективность по сравнению с другими технологиями

На высоких частотах коммутации гибридные IGBT демонстрируют исключительную эффективность, уступая только решениям на основе SiC MOSFET и превосходя SJ MOSFET. Высокая скорость переключения SiC SBD напрямую снижает коммутационные потери.