Seitsemännen sukupolven IGBT-teknologia nostaa tehomoduulien suorituskykyä usealla rintamalla. IGBT7 pienentää häviöitä, kasvattaa virtakapasiteettia ja kestää ylikuormituksessa jopa 175 asteen liitoslämpötilan. Yhdessä matalainduktanssisten koteloiden kanssa tämä mahdollistaa aiempaa suuremman tehotiheyden, paremman hyötysuhteen ja pienemmät järjestelmäkustannukset.
|
Artikkelin kirjoittaja Amit Gole on Microchip Technologyn integroitujen tehoratkaisujen tuotemarkkinointipäällikkö. |
Uudella IGBT7-teknologialla on merkittäviä etuja aiempiin sukupolviin verrattuna: 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 ja mahdollistaa lukuisia eri sovelluskohteita: moottorikäytöt, ilmailu ja avaruus, uusiutuva energia, energian varastointi (ESS), datakeskukset sekä hyöty- ja maatalousajoneuvot.
IGBT-transistori toimii työjuhtana lukuisissa tehoelektroniikan sovelluksissa, kuten tehomuuntimissa, inverttereissä ja tehokytkimissä. Niitä hyödynnetään laajasti verkkovirralla toimivissa järjestelmissä ja laitteissa, joiden kytkentäteho on keskitasoa tai suurempi, muutamasta kilowatista megawatteihin asti. IGBT-tehomoduulit ovat erittäin tärkeitä komponentteja nykyajan tehoelektroniikassa.
Uuden sukupolven IGBT7
Seitsemännen sukupolven IGBT-tehomoduuleja on nyt saatavissa seitsemässä eri kotelossa, useissa eri osakokoonpanoissa. Niillä on edellisiin polviin verrattuna alhaisemmat VCE(sat)- ja Vf-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-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.
Parannettu VCE, VF ja suojadiodi
15–20 prosenttia alhaisemman VCE-saturaatiojännitteen ansiosta tehohäviöt vähenevät merkittävästi keskitason kytkentätaajuuksilla toimivissa sovelluksissa. Kytkentähäviöt annetulla dv/dt-rajoituksella vähenevät, samoin suojadiodin häviöt.
IGBT-transistorin kytkentähäviöt ovat suoraan verrannollisia VCE(sat)-arvoon. Sen pienentäminen vähentää kytkentähäviöitä merkittävästi ja parantaa tehonmuunnoksen hyötysuhdetta.
Taulukko 1. Esimerkki IGBT4- ja IGBT7-spesifikaatioiden VCE(sat)-arvojen vertailusta.
Ylikuormitus liitoslämpötilaan 175°C asti
IGBT7: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 1)
Kuva 1. IGBT7:n ja vanhempien IGBT-sukupolvien välinen vertailu liitoslämpötilan maksimiarvon suhteen.
Invertteripohjaisia moottorinohjaimia käytetään monissa sovelluksissa esimerkiksi hyöty- ja maatalousajoneuvoissa (CAV), teollisuuslaitoksissa ja rautateillä, joissa on tärkeää kestää lyhytaikaista ylikuormitusta. Sama pätee esimerkiksi UPS-laitteiden kaltaisiin sovelluksiin, joissa lyhytaikainen ylikuormitus on kriittistä tehovaatimusten kannalta.
Parannettu dv/dt-ohjattavuus
Moottorin ohjaamiseen käytetään invertteriä, joka hyödyntää pulssinleveysmodulaatiota (PWM) eikä tuota sinimuotoista lähtöjännitettä. Kytkentäpulssin lyhyempi nousuaika johtaa korkeaan dv/dt-arvoon, jota pahentavat entisestään moottorikäytössä käytettävät pitkät kaapelit invertterin ja moottorin välillä.
Tämä johtaa korkeampiin huippujännitteisiin moottorin liitäntäpisteissä. 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 kolmivaihemoottoreille, joiden tyypillinen jännite on 380/415/440 VAC, ylitetä dv/dt-arvoa 5 kV/µs vaihtosuuntaajan liittimen kohdalla.
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.
Yksinkertainen ja vaivaton hilaohjaus
Hilan ja emitterin välinen kapasitanssi CGE sekä hilan ja kollektorin välinen kapasitanssi CGC ovat balansoituja, jotta IGBT7:llä saavutetaan täysi dv/dt-ohjattavuus ja optimoitu kytkentäaaltomuoto. CGE on suunniteltu päällekytkennän loisvaikutusten välttämiseksi, jotta nollapistesyöttö poiskytkentää varten olisi mahdollinen (yksinapainen hilaohjaimen teholähde).
Suurempi virtakapasiteetti
IGBT7-kytkimen virtakapasiteetti on luonnostaan suurempi kuin edellisen sukupolven IGBT4-versiolla. Se tarjoaa suuremman lähtötehon samalla pinta-alalla, mikä antaa mahdollisuuden pienentää sirun kokoa. Tämä tarkoittaa, että kooltaan pienempää tehosirua 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.
Kotelolla matala profiili ja induktanssi
Microchipin alhaisen hajainduktanssin omaavat kotelot vähentävät jännitteen ylitystä parantaen näin kestävyyttä ja luotettavuutta. Matalampi profiili mahdollistaa suuremman tehon pakkaamisen pienempään tilaan, mikä parantaa tehotiheyttä käytettäessä IGBT7-teknologiaa.
Taulukko 2. Eri kotelotyyppien tärkeimmät speksit.
IGBT7:n ominaisuudet ja loppukäyttäjille tarjoamat hyödyt tekevät näistä tehomoduuleista monipuolisia ratkaisuja 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.
Viitteet
Fluke: Cable Length and VFD Motors
NEMA MG 1 Part 31
Tehopuolijohteiden sovelluskäsikirja (Semikron)
TRENCHSTOP 1200 V IGBT7 T7 -sovellusdokumentti (Infineon) (AN2018-14)
Amit Golen teknologiasivusto, Microchip Aviation and Defense -uutiskirjeen numero 23. joulukuuta 2024
