IGBT on pitkään ollut teollisuuden tukipilari, joka yhdistää suuren tehon yksinkertaisiin ohjaustapoihin. Uuden polven IGBT7-teknologia on saanut merkittäviä parannuksia verrattuna aiempiin sukupolviin: alhaisempi myötäjännite, suuremmat nimellisvirrat, ylikuormituskapasiteetti 175°C asti, tarkempi dv/dt-säätö ja laadukkaampi suojadiodi.

Yhdessä matalainduktanssisten koteloiden kanssa IGBT7 tarjoaa helppokäyttöisyyttä, parempaa kestävyyttä, suurempia tehotiheyksiä ja korkeampaa hyötysuhdetta samalla, kun se alentaa järjestelmäkustannuksia. Moottorikäyttösovelluksissa monipuoliset IGBT7-kytkimet tarjoavat käyttövoimaa monille eri teollisuusaloille: ilmailu ja avaruus, uusiutuva energia, energian varastointi (ESS), datakeskukset sekä hyöty- ja maatalousajoneuvot.

Eristetyllä hilalla varustettu bipolaaritransistori IGBT on tehopuolijohdekomponentti, jonka elektrodit ovat kollektori, emitteri ja hila. Sitä kutsutaan bipolaaritransistoriksi, koska johtavuus tapahtuu sekä elektronien että aukkojen liikkeenä. IGBT toimii työjuhtana lukuisissa tehoelektroniikan sovelluksissa muun muassa tehonmuuntimissa, inverttereissä ja hakkureissa. Niitä käytetään laajasti verkkovirtakäyttöisissä järjestelmissä ja laitteissa, joiden kytkentäteho on keskisuuri tai suuri - muutamasta kilowatista megawattiin.

IGBT-tehomoduulit ovat olennaisia komponentteja nykyaikaisessa tehoelektroniikassa. Moduulit ohjaavat ja muuntavat sähkötehoa monenlaisissa kohteissa: teollisuuden moottorikäytöissä, uusiutuvan energian järjestelmissä, sähköajoneuvoissa ja sähköverkoissa.

Uuden sukupolven IGBT7

Seitsemännen sukupolven IGBT-tehomoduuleja on nyt saatavissa seitsemässä eri kotelossa useissa eri osakokoonpanossa. Niillä on edellisiin polviin verrattuna alhaisemmat V_CE(sat)- ja V_f-lukemat, ylikuormituskyky 175°C liitoslämpötilaan asti, 50% suurempi virtakapasiteetti, parannettu dv/dt-ohjattavuus ja suojadiodin toiminnan pehmeys sekä yksinkertaisempi ohjaustapa. Nämä ominaisuudet tarjoavat muista erottuvaa lisäarvoa suuren tehotiheyden, kestävyyden, alempien järjestelmäkustannusten, paremman hyötysuhteen, helppokäyttöisyyden ja nopeamman markkinoille tuomisen muodossa.

IGBT7:n rakenne

IGBT Trench7 -teknologiassa hyödynnetään MPT-rakennetta (Micro-Pattern Trench), joka koostuu rinnakkaisista kaivantosoluista, jotka on erotettu toisistaan alle mikrometrin levyisillä harjanteilla. Aiemmissa ratkaisuissa solut ovat olleet tasomaisia.

Kuvassa 1 nähdään eri rakennetekniikoiden erot alkaen vanhimmasta PT-rakenteesta (Punch Through) oikealla nähtävään IGBT7-kaivantorakenteeseen. Siinä varaustenkuljettajien määrä emitterin lähellä kasvaa pienempien soluvälien ja hilojen välisten harjanteiden ansiosta. Tämä parantaa johtavuutta varausten kulkualueella, mikä taas alentaa myötäjännitettä merkittävästi ja tarjoaa vähäisemmätkytkentähäviöt.

Punch Through (PT) -IGBT	IGBT4 Trench Field Stop	IGBT7 Micro Pattern Trench
Korkea VCE(sat) Suuret kytkentähäviöt Kestävyys	Pienemmät kytkentähäviöt Parannettu kestävyys	Alempi VCE(sat) ja VF Toiminnan pehmeys Parempi kestävyys Ohjauksen tarkkuus Parempi suorituskyky oikosulussa

Kuva 1. IGBT-teknologian kehitys.

Kuva 2. Eri IGBT-sukupolvien vertailu toiminnan aikana. IGBT3 (T3/E3) liitoslämpötilassa 125°C, IGBT4 ja IGBT7 puolestaan liitoslämpötilassa 150°C.

Kuva 2 esittää aiempien IGBT-sukupolvien (3. ja 4.) sekä uuden IGBT7:n suhteellisen toimintavertailun. IGBT7:llä on alhaisin kytkentäjännite V_CE(on) eli noin 15-20 % pienempi kuin edellisen sukupolven IGBT4:llä. Alhaiset johtavan tilan häviöt takaavat pienet kytkentähäviöt, mikä taas parantaa hyötysuhdetta alhaisen ja keskitason kytkentätaajuuden sovelluksissa. Lisäksi IGBT7:ssä on pehmeästi toimiva suojadiodi, jolla on paremmat toipumislukemat ja alhainen myötäjännite (V_f), mikä vähentää entisestään häviöitä ja parantaa tehotiheyttä.

IGBT7-valikoima

IGBT-tehomoduuleja on saatavissa standardin mukaisissa 62 mm koteloissa vaihehaara- tai puolisiltakonfiguraationa D3-kotelossa ja yksikytkimisenä D4-kotelossa. Microchip tarjoaa alhaisen induktanssin matalia koteloita 62 millin koossa: SP6C, SP6P ja SP6LI. Ne tarjoavat matalan profiilin ja alhaisen koteloinduktanssin sekä mahdollistavat suuren tehotiheyden ja hyvän luotettavuuden.

Alempia tehotasoja voidaan tarjota pienemmissä koteloissa, esimerkiksi SP1F ja SP3F. Nekin ovat profiililtaan matalia ja niitä on saatavissa erilaisissa osakokoonpanoissa. Nimellisvirrat yltävät jopa 900 ampeeriin 1200 ja 1700 voltin jännitteillä.

Kuva 3. IGBT7-valikoima kotelovaihtoehtoineen.

Kuva 4. IGBT7:n eri topologiat.

Taulukko 1. IGBT7-valikoiman tärkeimmät ominaisuudet, hyödyt sovellukselle ja loppukäyttäjän edut.

Parannettu V_CE, V_f ja suojadiodi

15-20 prosenttia alhaisemman V_CE-saturaatiojännitteen ansiosta tehohäviöt vähenevät merkittävästi keskitason kytkentätaajuuksilla toimiviin sovelluksiin asti. Kytkentähäviöt annetulla dv/dt-rajoituksella vähenevät, samoin suojadiodin häviöt.

IGBT-transistorin kytkentähäviöt ovat suoraan verrannollisia V_CE(sat)-arvoon. IGBT7:llä tyypillinen arvo on 1,77 volttia liitoslämpötilassa 175°C eli huomattavasti alhaisempi kuin IGBT4:n vastaava lukema 2,1 V liitoslämpötilassa 150°C. Tämä 15 prosentin lasku vähentää kytkentähäviöitä merkittävästi.

Myös suojadiodin alhaisempi myötäjännite auttaa vähentämään siinä syntyviä häviöitä. Parannettu diodi alentaa myötäjännitettä 100 millivolttia IGBT4:ään verrattuna, mikä vähentää johtavan tilan häviöitä entisestään.

• Johtavan tilan kokonaishäviö = IGBT:n häviö + johtavan diodin häviö
• Kokonaiskytkentähäviö = IGBT:n kytkentähäviö + diodin kytkentähäviö
• Kokonaistehohäviö = johtavan tilan kokonaishäviö + kokonaiskytkentähäviö
• Hyötysuhde = lähtöteho/tuloteho = tuloteho + kokonaistehohäviö/tuloteho

Taulukko 2. Esimerkki IGBT4- ja IGBT7-spesifikaatioiden V_CE(sat)-arvojen vertailusta.

Ylikuormitus liitoslämpötilaan 175°C asti

GBT7:n liitoslämpötilan maksimiarvo on 175°C verrattuna nelossukupolven arvoon 150°C. Tämä on avainasemassa moottorikäyttöjen toistuvassa, lyhytaikaisessa ylikuormituskäytössä. IGBT7-moduulit on suunniteltu haastaviin sovelluksiin, sillä ne kestävät 175 asteen liitoslämpötilan ylikuormitustilanteessa, kun IGBT4-moduuleilla lukema on 150°C.

Tämä 25 asteen parannus tarjoaa valtavia etuja taajuusmuuttajan luotettavuuden ja kestävyyden kannalta. Se tarjoaa myös kustannussäästöjä IGBT7:n korkean suorituskyky-kustannussuhteen ansiosta verrattuna mihin tahansa muuhun teknologiaan.

Kuva 5. IGBT7:n ja vanhempien IGBT-sukupolvien välinen vertailu liitoslämpötilan maksimiarvon suhteen.

Invertteripohjaisia moottorinohjaimia käytetään monissa sovelluksissa esimerkiksi hyöty- ja maatalousajoneuvoissa (CAV), teollisuuslaitoksissa ja rautateillä. Niissä on tärkeää kestää lyhytaikaistaylikuormitusta vähintään minuutin ajan työskenneltäessä normaalissa käyttölämpötilassa.

Taulukko 3. Esimerkki invertterillä syötettyjen monivaihemoottoreiden ylikuormituksen kestosta standardin ANSI/NEMA MG 1-2016/2018 mukaan.

Sama pätee esimerkiksi UPS-laitteiden kaltaisiin sovelluksiin, joissa lyhytaikainen ylikuormitus on kriittistä tehovaatimusten kannalta. Niissä tyypilliset ylikuormituksen kestot voivat vaihdella laajasti. Esimerkiksi 110 prosenttia 10 minuutin ajan, 125 prosenttia 120 sekunnin ajan tai 150 prosenttia 15 sekunnin ajan.

Näiden kokonaisjaksojen aikana invertteri ja sitä kautta kytkimet kuljettavat enemmän virtaa, mikä johtaa korkeampiin liitoslämpötiloihin. Tehokytkimen on kyettävä kestämään luonnostaan tällainen ylikuormitus ja toistuvasta luonteesta aiheutuva rasitus koko elinkaarensa ajan.

Toistuvat ylikuormitukset ovat arkipäivää teollisuusmoottorien sovelluksissa, ja ne on otettava huomioon invertterin suunnittelussa sekä oikeanlaisten tehopuolijohdekytkimien valinnassa. On tärkeää säilyttää kytkimien hyvä kestävyys näissä ylikuormitusjaksoissa pitkäaikaisen ja virheettömän toiminnan varmistamiseksi.

Parannettu dv/dt-ohjattavuus

Hyvä ohjattavuus tarkoittaa kykyä muuttaa dv/dt-arvoa säätämällä hilavastusta Rg moottorin eristysvaatimusten tai EMI-rajoitusten mukaisesti. Moottorin ohjaamiseen käytetään invertteriä, joka hyödyntää pulssinleveysmodulaatiota (PWM) eikä tuota sinimuotoista lähtöjännitettä. Alemman asteen harmonisten taajuuksien lisäksi näissä aaltomuodoissa esiintyy myös päällekkäisiä jyrkkäreunaisia täyden amplitudin jännitepiikkejä.

Staattorikäämien kierrosten välinen, vaiheiden välinen ja maadoituksen eristys altistuvat näistä aiheutuville dielektrisille rasituksille. Korkea kytkentätaajuus tarkoittaa korkeampia ja jyrkempiä pulsseja. Korkeammat ja jyrkemmät pulssit johtavat korkeaan dv/dt-arvoon, jota pahentavat entisestään moottorikäytössä käytettävät pitkät kaapelit invertterin ja moottorin välillä.

Tämä johtaa korkeampiin huippujännitteisiin moottorin liitäntäpisteissä. Jyrkät pulssit voivat myös vahingoittaa moottorin laakereita roottorista moottorin runkoon kulkevien loisvirtojen vuoksi. Nämä vaarallisen korkeat jännitepiikit voivat johtaa kipinöintiin ja lopulta eristyksen pettämiseen.

Pitkät moottorikaapelit voivat aiheuttaa jännitteen ylityksen, jonka huippuarvo voi olla jopa viisinkertainen järjestelmän käyttöjännitteeseen verrattuna (yli 2000 volttia 415 voltin järjestelmässä). Korkeat jännitepiikit voivat johtaa eristeen vaurioitumiseen, mikä taas voi johtaa vaiheiden tai käämikierrosten välisiin oikosulkuihin. Tällöin suojakytkin yleensä sammuttaa moottorin,

Tästä syystä moottorien valmistajat suosittelevat painokkaasti, ettei komivaihemoottoreille, joiden tyypillinen jännite on 380/415/440 VAC, ylitetä dv/dt-arvoa 5 kV/µs vaihtosuuntaajan liittimen kohdalla.

Mitä pidempi on moottorin ja taajuusmuuttajan kytkentäväli, sitä suurempi on dv/dt-huippujen jyrkkyyden todennäköisyys, mikä saattaa nostaa jännitteen moottorin liitäntäpisteissä vaaralliselle tasolle. On tärkeää optimoida jännitegradientti dv/dt moottorin eristysvaatimusten mukaisesti, kun halutaan suunnitella huolellisesti yleiskäyttöistä teollisuuden moottorikäyttöä. Tämän optimoinnin saavuttamiseksi IGBT7 tarjoaa täydellisen tavan muuttaa dv/dt-arvoa säätämällä hilavastusta Rg.

Kuva 6. Jännitteet moottorin liitäntäpisteissä.

Kun Rg-arvo kasvaa, sekä päälle- että poiskytkennän dv/dt-arvo pienenee. Päällekytkennän dv/dt pienenee kuitenkin merkittävästi silloin, kun Rg on optimialueella. Rg-arvo on siten optimoitava halutun dv/dt-arvon (alle 5 kV/µs) saavuttamiseksi.

Kuva 7. Jännitegradientin dv/dt optimointi IGBT7:ssä säätämällä hilavastusta Rg.

Microchip voi pyynnöstä toimittaa Rg & dv/dt -säätökäyrän optimointia varten. Se helpottaa teollisuusmoottorien suunnittelua ja auttaa soveltajia ratkaisemaan merkittäviä suunnitteluongelmia.

Yksinkertainen ja vaivaton hilaohjaus

Hilan ja emitterin välinen kapasitanssi C_GE sekä hilan ja kollektorin välinen kapasitanssi C_GC ovat balansoituja, jotta IGBT7:llä saavutetaan täysi dv/dt-ohjattavuus ja optimoitu kytkentäaaltomuoto. C_GE on suunniteltu välttämään päällekytkennän loisvaikutuksia, jotta nollapistesyöttö poiskytkentää varten olisi mahdollinen (yksinapainen hilaohjaimen teholähde).

Kuva 8. IGBT7-ohjainpiiri.

Suurempi virtakapasiteetti

IGBT7-kytkimen virtakapasiteetti on luonnostaan suurempi kuin edellisen sukupolven IGBT4-versiolla. Se tarjoaa suuremman lähtötehon samalla pinta-alalla, mikä antaa mahdollisuuden alentaa piirikehyksen kokoa. Tämä tarkoittaa, että pienempää piirikehystä voidaan käyttää suurempien sijaan.

Tämä myös lisää moduulin kokonaistehotiheyttä eli enemmän tehoa voidaan pakata tietylle alueelle. Näin voidaan välttää useiden kytkimien rinnankäyttöä, vähentää rakenteen monimutkaisuutta sekä parantaa luotettavuutta ja kestävyyttä. Suurempi tehotiheys alentaa tehojärjestelmän osien kustannuksia (BoM) ja nopeuttaa markkinoille tuomista.

Kuva 9. Piirikehyksen koon pudotus mahdollistaa 50 % suuremman virran samalla kotelolla.

Kotelolla matala profiili ja induktanssi

Microchipin alhaisen loisinduktanssin omaavat kotelot vähentävät jännitteen ylitystä parantaen näin kestävyyttä ja luotettavuutta. Matalampi profiili mahdollistaa suuremman tehon pakkaamisen pienempään tilaan, mikä parantaa tehotiheyttä käytettäessä IGBT7-teknologiaa.

Pienemmän ylitysjännitteen ansiosta käyttäjän on suhteellisen helppo hyödyntää 1200 voltin moduuleja DC-linkissä jopa 700-800 volttiin asti 1700 voltin moduulien sijaan edellyttäen, että invertterin sijoittelu on kokonaisuudessaan vähäinduktiivinen ja virtakisko vahvistettu kerrostamalla. Silloin voidaan säästää merkittävästi kustannuksia moduuleissa ja myös hilaohjainkortissa. Tämä tarjoaa edullisen ratkaisun tehojärjestelmän suunnitteluun.

Taulukko 4. Kotelovaihtoehtojen ominaisuuksia.

Kuva 10. Mooduuliratkaisun differoitu rakenne.

Kuva 11. IGBT7:n keskeiset sovelluskohteet.

IGBT7:n ominaisuudet ja loppukäyttäjille tarjoamat hyödyt tekevät näistä tehomoduuleista monipuolisia lukuisiin teollisuuden sovelluksiin sekä massatrendilaitteisiin alkaen matala- ja keskitaajuisista kytkentäsovelluksista. Helppokäyttöisyys ilman monimutkaista hilaohjausmekanismia tekee suunnittelusta vaivatonta ja poistaa uusien ohjainten suunnitteluresurssien tarpeen. Useita topologioita voidaan helposti käyttää rakennuspalikoina useiden eri sovellusten muuntimille, mikä tuo suunnitteluun joustavuutta ja nopeuttaa markkinoille tuomista.

IGBT7-tehomoduulit mahdollistavat monipuolisuutensa ansiosta lukuisia potentiaalisia sovelluskohteita: muun muassa aurinko- ja tuulienergia, moottorikäytöt, energian varastointi (ESS), hyöty- ja maatalousajoneuvot (CAV), datakeskukset, E-liikenne, energiansiirto ja -jakelu sekä ilmailu. Moduulit tarjoavat soveltajille erinomaisia etuja tehonsa, tarkkuutensa ja suorituskykynsä ansiosta.

Viitteet

https://www.fluke.com/en-us/learn/blog/power-quality/cable-length-vfd-motors

https://www.nema.org/docs/default-source/standards-document-library/mg-1-part-31-watermark.pdf?sfvrsn=649fb42f_1

Tehopuolijohteiden sovelluskäsikirja (Semikron)

TRENCHSTOP 1200 V IGBT7 T7 -sovellusdokumentti (Infineon) (AN2018-14)

Amit Golen teknologiasivusto, Microchip Aviation and Defense -uutiskirjeen numero 23. joulukuuta 2024