IGBT-модули: устройство, параметры даташита, потери и управление

Что внутри модуля

У кристалла IGBT нет встроенного диода, как у MOSFET, и ток в обратную сторону он не проводит. Поэтому рядом с каждым IGBT на подложке стоит отдельный обратный диод. Infineon отмечает в этом и плюс: диод можно оптимизировать под переключение IGBT независимо от транзистора (AN2011-05, раздел 3.6). Чтобы набрать ток в сотни ампер, один ключ составляют из нескольких параллельных кристаллов. У модулей средней и большой мощности к затворам параллельных кристаллов внутри часто подключены свои резисторы — так ток между кристаллами делится ровнее, а в даташите их общее сопротивление указано как внутренний резистор затвора RGint: у FF450R12ME4 это 1,7 Ом.

Модуль с основанием собран слоями — сверху вниз:

Внутри корпус обычно залит силиконовым гелем с электрической прочностью около 20 кВ/мм — в 10 раз выше, чем у воздуха; реже применяют твёрдый эпоксидный компаунд с прочностью более 60 кВ/мм. Без заливки промежутки между дорожками DBC изоляцию не держат (Semikron Danfoss, раздел 3.2.1). Большую керамику не паяют на медное основание одним куском: коэффициент расширения керамики около (4…7)·10⁻⁶ 1/К, меди — около 17,5·10⁻⁶ 1/К, и биметаллический изгиб разрушает припой при циклах нагрева. Поэтому мощные модули собирают из нескольких подложек. В модулях без основания — у Semikron Danfoss это SKiiP, SKiM, MiniSKiiP и SEMITOP — подложку прижимают прямо к радиатору корпусом или прижимными элементами, и паяного слоя между керамикой и основанием просто нет.

У FF450R12ME4 основание медное, изоляция — Al2O3, внутри есть термистор NTC, масса 345 г, габарит основания 152 × 62 мм.

Топологии

Кристаллы внутри модуля соединяют в готовую схему. Тип схемы зашифрован в начале названия: у Infineon — в двух первых буквах, у старых модулей Infineon серии BSM и у Semikron Danfoss — в буквах после тока.

У чоппера BSM…GAL диод стоит со стороны коллектора, у BSM…GAR — со стороны эмиттера. Как такой ключ с диодом работает в понижающей и повышающей схемах, разобрано в статье об импульсных преобразователях: принцип тот же, меняются токи, напряжения и требования к охлаждению.

Название FF450R12ME4 читается по таблице из AN2011-05 (раздел 2.2):

Корпуса

Корпус определяет способ монтажа, ток выводов и паразитную индуктивность. По обозначениям Infineon встречаются EconoDUAL (буква M), EconoPACK 1–3 (N1–N3) и EconoPACK 4 (P), PrimePACK (I), IHM и IHV (H), EasyPACK и EasyPIM (W). Классические корпуса шириной 34 и 62 мм с винтовыми силовыми выводами выпускают несколько производителей; у Infineon это серия 62mm (основание 61,4 × 106,4 мм), у Semikron Danfoss — SEMITRANS и SEMIPACK. Линейки Semikron Danfoss для IGBT — SEMITOP, MiniSKiiP, SEMiX, SEMITRANS, SKiM и интеллектуальные модули SKiiP.

По словам Semikron Danfoss, модули с винтовыми выводами рассчитаны на токи от 200 до 1000 А и больше и подключаются к пакету шин. До токов около 200 А используют модули для монтажа на печатную плату: с выводами под пайку (SEMITOP), press-fit (SEMITOP E, SEMiX 6) или пружинными контактами (MiniSKiiP, около 20 А на пружину).

Даташит FF450R12ME4: главные параметры

Даташит модуля состоит из предельных значений (maximum rated values), характеристик (characteristic values) с типовыми и максимальными значениями при оговорённых условиях и графиков. Предельное значение нельзя превышать ни в одном параметре, даже если остальные далеки от предела: прибор может пробиться (AN2011-05, раздел 3). Если условие не указано, значения даны при 25 °C. Статус документа тоже важен: по предварительным данным (target data) можно прикидывать, а рассчитывать изделие — только по preliminary или final; даташит FF450R12ME4 — final.

Напряжение: VCES и запас на выбросы

1200 В — предел при 25 °C. На холоде пробивное напряжение ниже: Infineon оценивает снижение примерно в 0,1 %/К (AN2011-05, раздел 3.1), то есть при −40 °C — на 6,5 %, до 1120 В. Этот предел должен выдержать не только напряжение звена, но и выброс при выключении на паразитной индуктивности:

Скорость спада тока при выключении можно оценить по времени спада tf, которое измеряют между 90 и 10 % тока: при 450 А и tf = 0,12 мкс это 0,8 · 450 / 0,12 ≈ 3000 А/мкс, и только на внутренней индуктивности модуля 20 нГн выброс составит около 60 В. (Указанные в условиях теста Eon 7000 А/мкс относятся к включению: тогда напряжение L · di/dt не добавляется к напряжению на ключе, а вычитается из него.) К индуктивности модуля добавляется индуктивность шин и конденсаторов звена. Поэтому область безопасной работы при выключении (RBSOA) в даташите нарисована двумя линиями: кристалл выключает 900 А вплоть до 1200 В, а на выводах модуля, по графику, тот же ток допустим лишь примерно до 1090 В — около 110 В съедает внутренняя индуктивность (AN2011-05, раздел 3.5). Semikron Danfoss советует, чтобы коммутируемое напряжение не превышало 2/3…3/4 класса прибора (раздел 9.1.1): для модуля 1200 В это 800–900 В. Данные короткого замыкания FF450R12ME4 тоже приведены для 800 В.

Ток: IC nom, ICRM и что из них следует

Номинальный ток Infineon вычисляет из допустимой мощности через тепловое сопротивление (AN2011-05, формулы 2 и 4):

Для FF450R12ME4 это (175 − 100) / 0,066 ≈ 1136 Вт на один IGBT. Ток 450 А, таким образом, — постоянный ток при корпусе, нагретом всего до 100 °C, кристалле при 175 °C и без потерь переключения. VCE(sat) в формуле берут максимальное и находят ток за несколько итераций. Infineon прямо пишет, что ток без указания температур технического смысла не имеет. Для работы с переключением предел другой — Tvj op = 150 °C (AN2008-01), и к потерям проводимости добавляются потери переключения. Semikron Danfoss оценивает реальный выходной ток инвертора в 60–80 % номинального тока модуля в зависимости от частоты и охлаждения (раздел 9.1.1).

ICRM = 900 А — вдвое больше номинала — допустимый повторяющийся импульс, длительность которого ограничена той же Tvj op. Теоретически из переходного теплового сопротивления можно получить больше, но в даташите учтены ограничения проволочных перемычек, шин и выводов (AN2011-05, раздел 3.4).

Падение напряжения VCE(sat)

VCE(sat) — напряжение на открытом ключе при 15 В на затворе. Табличные 1,75 В — типовое значение при 25 °C, максимальное — 2,10 В. При нагреве до 150 °C типовое значение растёт до 2,05 В. На графике выходной характеристики кривые для 25 и 150 °C пересекаются около 1,16 В и 135 А: ниже этого тока горячий ключ проводит лучше холодного, выше — хуже. Infineon объясняет это двумя составляющими: падение на p-n-переходе со стороны коллектора с нагревом уменьшается, а омическое сопротивление растёт (AN2011-05, раздел 3.6). Положительный температурный коэффициент при больших токах и позволяет включать кристаллы и модули параллельно.

Для расчёта потерь характеристику заменяют прямой — источником напряжения и сопротивлением (Graovac, раздел 2.1):

Проведём прямую через точки рабочего диапазона на кривой 150 °C: около 1,21 В при 150 А по графику и 2,05 В при 450 А по таблице. Получим rCE ≈ 2,8 мОм и VCE0 ≈ 0,80 В; при 900 А такая прямая даёт 3,32 В — столько же, сколько график. Это типовые значения; для расчёта с запасом Graovac советует умножить VCE0 на отношение максимального значения к типовому или на 1,1–1,2.

Второй график — семейство выходных характеристик при разных напряжениях на затворе — показывает, зачем нужны полные 15 В: при 9 В на затворе ток ключа при 150 °C ограничивается примерно 280 А, и транзистор переходит в линейный режим с огромными потерями. Infineon предупреждает, что держать IGBT в линейном режиме нельзя — при 15 В на затворе он проходит его только во время переключения.

Затвор: порог и ёмкости

Пороговое напряжение VGE(th) — 5,2…6,4 В при 25 °C и токе всего 17 мА; с нагревом оно снижается (AN2011-05, рис. 10), поэтому горячий закрытый ключ легче приоткрыть помехой. Входная ёмкость Cies = 28 нФ и проходная Cres = 1,55 нФ даны при 25 В на коллекторе — при высоком напряжении Cres гораздо меньше. Отношение Cies/Cres (здесь около 18) показывает устойчивость к паразитному включению через ёмкость Миллера: чем оно больше, тем лучше (AN2011-05, раздел 3.9). Заряд затвора QG = 3,3 мкКл нужен для расчёта драйвера — это сделано ниже, в разделе о драйвере, а смысл величины объяснён в статье о заряде затвора.

Времена и энергии переключения

Времена в даташите определены по уровням 10 и 90 %: td on — от 10 % напряжения затвора до 10 % тока коллектора, tr — нарастание тока от 10 до 90 %, td off — от 90 % напряжения затвора до 90 % тока, tf — спад тока от 90 до 10 % (AN2011-05, раздел 3.10). По временам потери не посчитать: форма напряжения и хвост тока в них не видны. Поэтому даташит отдельно даёт энергию одного переключения — интеграл произведения тока и напряжения на интервале включения (Eon) или выключения (Eoff).

Энергии измерены при конкретных условиях: 600 В, 450 А, ±15 В на затворе, RG = 1,3 Ом, индуктивность контура 35 нГн. В своей схеме вы получите другие значения — Infineon называет табличные данные лишь ориентиром. Сильнее всего на них влияет резистор затвора. По графику E = f(RG) при 150 °C с ростом RG от 1,3 до 15 Ом энергия включения растёт примерно с 28,5 до 215 мДж, а энергия выключения — лишь с 61,5 до 75 мДж. Энергия восстановления диода при этом падает с 55 до примерно 22 мДж, но в сумме потери растут. Левый край кривых — минимально допустимое сопротивление: меньший резистор может привести к колебаниям и разрушению модуля (AN2011-05, разделы 3.8 и 3.10).

Ток обратного восстановления диода во время включения складывается с током включающегося IGBT и добавляет потери в обоих (AN2011-05, раздел 4.4). Поэтому Eon заметно зависит от диода-партнёра и от скорости коммутации.

Короткое замыкание

При коротком замыкании ток IGBT растёт, пока транзистор не выйдет из насыщения, и дальше ограничивается самим кристаллом при полном напряжении на нём. У FF450R12ME4 это около 1800 А (типовое значение, а не допустимый ток) — вчетверо больше номинала, что совпадает с оценкой Semikron Danfoss для IGBT4: 4…5 · ICnom при 15 В на затворе (раздел 9.5.2.2). Выдерживает модуль такой режим не дольше tP = 10 мкс при VGE ≤ 15 В, 800 В и 150 °C. Infineon проектирует модули на время короткого замыкания до 10 мкс; исключение — 600-вольтовые IGBT3 с 6 мкс (AN2011-05, раздел 3.11). Более высокое напряжение на затворе увеличивает ток КЗ, и допустимое время сокращается.

Тепловые параметры и переходное сопротивление

RthJC = 0,066 К/Вт на один IGBT и 0,10 К/Вт на один диод — максимальные значения от кристалла до основания. RthCH = 0,03 и 0,045 К/Вт — типовые значения от основания до радиатора; единственное условие в даташите — паста с теплопроводностью 1 Вт/(м·К). Для всего модуля RthCH = 0,009 К/Вт. Это стационарные величины. Для коротких импульсов в даташите есть кривая переходного теплового сопротивления Zth и её аппроксимация суммой экспонент:

Сумма ri равна RthJC = 0,066 К/Вт. По этой формуле Zth через 1 мс — около 0,002 К/Вт, через 0,1 с — 0,056 К/Вт, а через 0,3 с — уже 98 % от RthJC. Отдельные RC-звенья физического смысла не имеют: их подбирают по измеренной кривой нагрева (AN2011-05, раздел 3.13).

Две температуры в даташите путать нельзя (AN2008-01). Tvj max = 175 °C служит только для расчёта статического режима, когда ключ постоянно открыт. Tvj op = 150 °C — предел при переключении, и проектировать нужно по нему, считая средние потери проводимости, Eon и Eoff. Кратковременные всплески температуры в момент переключения в Tvj op уже учтены.

Обратный диод

Диод рассчитан на 1200 В и 450 А, повторяющийся импульс — 900 А длительностью 1 мс. Ударную нагрузку описывает I²t = 35 000 А²·с при 125 °C и 28 500 А²·с при 150 °C для импульса не длиннее 10 мс. Прямое напряжение при 450 А — 1,65 В тип. и при 25, и при 125, и при 150 °C, но ниже примерно 430 А горячий диод проводит лучше холодного: отрицательный температурный коэффициент типичен для приборов на неосновных носителях (AN2011-05, раздел 4.1). Динамику описывают пиковый ток обратного восстановления IRM (575 А при 150 °C), заряд Qr (105 мкКл) и энергия Erec (55 мДж). Все три сильно зависят от температуры и скорости спада тока, которую задаёт резистор затвора включающегося IGBT.

Изоляция, индуктивность, выводы и NTC

Изоляция. Испытательное напряжение 2,5 кВ ср. кв. прикладывают на минуту между всеми выводами, соединёнными вместе, и основанием. Модули Infineon обеспечивают как минимум основную изоляцию класса 1 по IEC 61140. По словам Infineon, большинству приводов хватает 2,5 кВ для модулей до 1700 В, а в тяговых применениях требуется 4 кВ (AN2011-05, раздел 6.1). Пути утечки от выводов до основания у FF450R12ME4 — не менее 14,7 мм, воздушные зазоры — не менее 12,5 мм. Термистор внутри изолирован от силовой части только функционально: при аварии проволока или дуга могут замкнуть его на силовую цепь. Испытательное напряжение термистора VISOL(NTC) в даташите тоже 2,5 кВ, но основной изоляцией это его не делает — Infineon прямо называет её функциональной (AN2011-05, раздел 6.1). Если NTC подключают к схеме управления с доступными частями, нужен дополнительный барьер.

Индуктивность и выводы. LsCE = 20 нГн — паразитная индуктивность модуля; для полумостов и мостов Infineon относит её к контуру коммутации с наибольшей индуктивностью (AN2011-05, раздел 6.2). Сопротивление выводов RCC'+EE' = 1,1 мОм на ключ при 25 °C — это путь от выводов до кристаллов, включая внутренние проводники, и он даёт отдельные потери. Semikron Danfoss подчёркивает, что ими обычно нельзя пренебречь (раздел 3.2.4). Часть этого тепла уходит в шины, часть — через подложку в радиатор: выводы, припаянные к DBC, отводят тепло через неё. В примере ниже это около 100 Вт на модуль по значению при 25 °C; горячие проводники имеют большее сопротивление.

NTC. Встроенный термистор — 5 кОм при 25 °C (±5 % при 100 °C, где R100 = 493 Ом) с B25/50 = 3375 К; для диапазона 25–100 °C точнее B25/100 = 3433 К. Он показывает температуру основания в установившемся режиме, по которой через тепловую модель можно оценить температуру кристаллов, и годится для защиты от длительной перегрузки или отказа охлаждения, но не от короткого замыкания и кратковременной перегрузки (AN2011-05, раздел 5). Чтобы термистор не грелся собственным током больше чем на 1 К, ток через него ограничивают; предельная рассеиваемая мощность — 20 мВт.

Расчёт потерь

Потери ключа складываются из потерь проводимости, переключения и утечки; последними обычно пренебрегают (Graovac, раздел 2). Для прямой VCE0 + rCE · I средние потери проводимости:

где Iav и Irms — среднее и действующее значения тока через ключ. Для ключа, проводящего постоянный ток I с коэффициентом заполнения D, достаточно и простой формы P ≈ VCE(sat)(I) · I · D. Например, тормозной ключ на 300 А при D = 0,3 и 150 °C: по графику VCE ≈ 1,66 В (прямая 0,80 + 0,0028 · 300 даёт 1,64 В) и P ≈ 1,66 · 300 · 0,3 ≈ 149 Вт. Потери переключения — энергия, умноженная на частоту:

Энергии из даташита нужно пересчитать на свои ток и напряжение. Semikron Danfoss использует степенные зависимости (раздел 6.1.3):

где Iref, Vref, Tref — условия измерения в даташите. Для IGBT Ki ≈ 1, Kv ≈ 1,3, TC ≈ 0,003 1/К; для диода Ki ≈ 0,6, Kv ≈ 0,6, TC ≈ 0,006 1/К.

Синусоидальный ток инвертора

В трёхфазном инверторе с синусоидальной ШИМ ток и коэффициент заполнения меняются за период выходной частоты. Если частота ШИМ намного выше выходной, а температура кристалла за период почти не меняется, интегрирование даёт готовые формулы (Graovac, раздел 3.4; Semikron Danfoss, раздел 6.1.3). Здесь Î — амплитуда тока фазы, m — коэффициент модуляции, φ — сдвиг фаз между током и напряжением:

Для потерь переключения IGBT при Ki = 1 синус усредняется в множитель 1/π — это то же, что подставить в энергию эквивалентный постоянный ток Î/π, как делает Graovac. Для диода при Ki = 0,6 Semikron Danfoss даёт численный множитель γ = 2,3:

Пример: фаза инвертора на FF450R12ME4

Допущения — наши, они не взяты из документов:

• трёхфазный двухуровневый инвертор, по одному FF450R12ME4 на фазу, синусоидальная ШИМ;
• звено 540 В, действующий ток фазы 300 А — это 67 % номинала модуля; амплитуда Î = 424 А, или 94 % номинала; частота ШИМ 4 кГц, m = 0,9, cos φ = 0,85;
• все параметры — типовые при 150 °C;
• VCE0 = 0,80 В, rCE = 2,8 мОм; для диода прямая через 1,06 В при 150 А (по графику) и 1,65 В при 450 А даёт VF0 = 0,76 В, rF = 2,0 мОм;
• Eon + Eoff = 28,5 + 61,5 = 90 мДж и Erec = 55 мДж при Vref = 600 В, Iref = 450 А, RG = 1,3 Ом;
• температура радиатора под модулем Th = 80 °C.

Произведение m · cos φ = 0,765, множители проводимости — 0,2548 и 0,2062 для IGBT, 0,0635 и 0,0438 для диода. Поправка на напряжение для IGBT — (540/600)^1,3 = 0,872, для диода — (540/600)^0,6 = 0,939.

На модуль — два IGBT и два диода — приходится 788 Вт, на три фазы — 2,36 кВт. Ещё около 100 Вт на модуль выделяется в выводах и внутренних проводниках: 300² · 1,1 мОм = 99 Вт. При 8 кГц потери переключения удвоятся: 379 Вт на IGBT, 182 Вт на диод, 1,12 кВт на модуль.

Степенные зависимости — приближение. Если не подставлять показатели, а усреднить по синусу сами кривые E = f(IC) и Erec = f(IF) из даташита, потери переключения выйдут примерно на 5 % больше: 99 Вт на IGBT и 77 Вт на диод, 807 Вт на модуль. Кривые не проходят через ноль, и при малых токах энергия выше линейной оценки, а у диода показатель по току по этим кривым — 0,45–0,5 (Erec ≈ 32, 46 и 55 мДж при 150, 300 и 450 А); Semikron Danfoss называет для диодов 0,5–0,6.

Если рассчитывать с максимальным VCE0 (запас 1,2 по Graovac), потери проводимости IGBT вырастут на 17 Вт. Если взять энергии при 125 °C вместо 150 °C — Eon + Eoff = 26 + 55,5 = 81,5 мДж, — потери переключения IGBT уменьшатся на 9 %, а энергия восстановления диода — с 55 до 48,5 мДж. Не всё, однако, растёт с температурой: ниже примерно 430 А прямое напряжение диода у холодного кристалла выше, и по тем же графикам его потери проводимости при 125 °C на 0,4 Вт, а при 25 °C на 2 Вт больше, чем при 150 °C. В сумме расчёт по данным для 150 °C остаётся консервативным — за счёт энергий переключения.

Температура кристалла

Стационарную температуру кристалла считают по цепочке тепловых сопротивлений от радиатора:

Для примера выше:

До Tvj op = 150 °C остаётся больше 40 К. Значит, в этом режиме модуль ограничен не кристаллом, а теплоотводом: чтобы при воздухе 40 °C держать под тремя модулями 80 °C, радиатор должен иметь тепловое сопротивление (80 − 40) / 2363 ≈ 0,017 К/Вт. Подобрать радиатор под такую мощность поможет калькулятор радиатора. Поскольку кристалл получился холоднее 150 °C, а параметры взяты при 150 °C, расчёт в целом идёт с запасом (с оговоркой о диоде, сделанной выше); точнее его делают итерациями, пересчитывая VCE0, rCE и энергии для полученной температуры.

Формула описывает среднюю температуру. При низкой выходной частоте — например, при разгоне двигателя — допущение о постоянной температуре за период перестаёт работать (Semikron Danfoss, раздел 6.1.3): кристалл успевает нагреться в полупериод, где ток максимален. Постоянные времени Zth у FF450R12ME4 — от 10 до 100 мс, поэтому при частотах в единицы герц пиковая температура заметно выше средней, и её считают по Zth, разбивая период на короткие участки.

Драйвер затвора

Каждый ключ полумоста управляется своим драйвером. Выходная сторона драйвера изолирована от входной и привязана к эмиттеру своего ключа: у верхнего ключа это выход AC, потенциал которого скачет на всё напряжение звена (1ED020I12-F2, рис. 1).

Напряжения

FF450R12ME4 характеризован при ±15 В, предел VGES — ±20 В. Semikron Danfoss называет для IGBT напряжение включения +15…17 В, для выключения мощных модулей — от −7 до −15 В (разделы 9.5.2.2 и 9.5.2.3). Infineon в AN2011-05 упоминает типичные для промышленных схем 0/+15 В и −8/+15 В, а его оценочная плата драйвера для EconoDUAL 3 выдаёт +16/−8 В.

Более высокое напряжение включения снижает VCE(sat) и потери, но увеличивает ток короткого замыкания и сокращает допустимое время КЗ. Отрицательное напряжение в закрытом состоянии защищает от паразитного включения. Когда открывается второй ключ полумоста, скачок напряжения на коллекторе закрытого ключа через ёмкость Миллера заряжает его затвор, и если напряжение дойдёт до порога, через полумост потечёт сквозной ток. Semikron Danfoss даёт для первой оценки формулу с ёмкостями при высоком напряжении (раздел 9.5.2.3):

При однополярном управлении (0 В в закрытом состоянии) включение ускоряется, а выключение затягивается, поэтому мёртвое время приходится увеличивать примерно на 30 % (Semikron Danfoss, раздел 9.5.2.3, пример для IGBT7).

Резисторы затвора

Сопротивления RGon и RGoff можно выбирать разными: минимальное RGon ограничено скоростью нарастания тока при включении, минимальное RGoff — скоростью нарастания напряжения при выключении (AN2011-05, раздел 3.8). Нижняя граница — значение из условий измерения энергий, у FF450R12ME4 это 1,3 Ом. Внутренние 1,7 Ом складываются с внешним резистором. Увеличение RG снижает выбросы, dv/dt и помехи, но, как видно по графику E = f(RG), быстро увеличивает Eon.

Мощность и ток драйвера

Средняя мощность драйвера по AN2011-05 (формула 5):

где Q'G — часть заряда, которая реально используется при выбранных напряжениях. По типовой кривой заряда IGBT на 1200 В Infineon берёт Q'G = 0,62 · QG для 0/+15 В и 0,75 · QG для −8/+15 В. Для FF450R12ME4 при −8/+15 В и 4 кГц: 0,75 · 3,3 мкКл · 23 В · 4 кГц ≈ 0,23 Вт; при ±15 В — 3,3 мкКл · 30 В · 4 кГц ≈ 0,40 Вт на ключ. Пиковый ток (формула 6):

то есть 23 / (1,3 + 1,7) ≈ 7,7 А при −8/+15 В и 10 А при ±15 В. На практике его ограничивают индуктивности цепи затвора, но порядок ясен: микросхеме драйвера с выходом 2 А, такой как 1ED020I12-F2, нужен внешний усилитель. Оценочная плата Infineon для EconoDUAL 3 построена именно так: усилитель на комплементарных транзисторах даёт пиковый ток ±10 А (AN2008-02).

Защита от короткого замыкания: DESAT

Самый распространённый способ поймать короткое замыкание — следить за напряжением на открытом ключе. Через развязывающий диод драйвер сравнивает VCE с опорным уровнем; если ключ вышел из насыщения, драйвер его выключает и сообщает об аварии. У 1ED020I12-F2 порог DESAT — 9 В (8,3…9,5 В), задержка от срабатывания до спада выхода — 350 нс тип.

Сразу после включения напряжение на IGBT ещё велико, поэтому защиту на время маскирования (blanking) отключают. В 1ED020I12-F2 его задаёт внешний конденсатор, который заряжается током 500 мкА; грубо t ≈ C · VDESAT / I, например 100 пФ дают около 1,8 мкс. Semikron Danfoss напоминает, что время маскирования не должно превышать допустимого времени КЗ, обычно 5–10 мкс (раздел 9.5.4.6). Оценочная плата Infineon для EconoDUAL 3 отключает короткое замыкание быстрее 6 мкс при допустимых для модуля 10 мкс.

При выключении тока КЗ выброс напряжения на индуктивности особенно велик. На оценочной плате его ограничивает активное ограничение (active clamping): цепочка лавинных диодов от вспомогательного коллектора к затвору приоткрывает IGBT, когда напряжение на нём превышает порог, и замедляет спад тока (AN2008-02, раздел 3.5).

Фиксатор Миллера и мёртвое время

Активный фиксатор Миллера (Miller clamp) в 1ED020I12-F2 через отдельный вывод CLAMP с малым сопротивлением замыкает затвор на минус питания драйвера, когда напряжение затвора при выключении опускается ниже 2 В, и отводит ток Миллера до 2 А. По словам Infineon, во многих применениях это позволяет обойтись без отрицательного напряжения выключения.

Мёртвое время между выключением одного ключа полумоста и включением другого выбирают с учётом времён переключения из даташита (AN2011-05, раздел 3.10; методика — в Infineon AN2007-04). Наша грубая прикидка: при 150 °C выключение заканчивается через td off + tf ≈ 0,62 + 0,12 = 0,74 мкс, включение начинается через td on ≈ 0,22 мкс, разница — около 0,5 мкс. В ней нет разброса экземпляров и задержек драйвера, и с ростом RG времена растут. Для сравнения: для своей оценочной платы с резисторами затвора из её таблицы 5 Infineon рекомендует мёртвое время не менее 1 мкс (AN2008-02, раздел 3.2). Подробнее о том, как ёмкость Миллера затягивает переключение, — в статье MOSFET и IGBT.

Параллельное включение и запас по току

Когда одного модуля мало, модули включают параллельно. Статическое деление тока определяется разбросом выходных характеристик. Ключ с меньшим VCE(sat) сначала берёт больше тока и сильнее греется, а при положительном температурном коэффициенте его напряжение растёт, и ток перетекает к соседу. Semikron Danfoss отмечает, что почти все современные IGBT имеют положительный коэффициент выше примерно 10–15 % номинального тока (раздел 9.3.5.1). У FF450R12ME4 точка пересечения кривых — около 135 А, то есть меньше трети номинала.

С диодами сложнее: их коэффициент отрицателен почти до номинального тока — у FF450R12ME4 кривые пересекаются около 430 А. Разница температур 10 °C даёт до 20 мВ разницы в прямом напряжении одинаковых диодов, и горячий диод забирает ещё больше тока. Поэтому модули ставят рядом на общий радиатор, чтобы связать их тепловой связью. Динамическое деление при переключении зависит от разброса порогов VGE(th), задержек и джиттера драйверов, индуктивности цепей затвора, эмиттера и шин. Помогают одинаковые резисторы затворов и симметричная разводка.

Semikron Danfoss рекомендует закладывать снижение тока не менее чем на 10 %: ключ, рассчитанный на 100 А, в параллельной сборке нагружают не более чем 90 А (раздел 9.3.2). Внутри модуля задача та же, и ровнее делить ток между кристаллами помогают внутренние резисторы затворов.

Монтаж на радиатор

Рабочее RthCH = 0,03 К/Вт из даташита получается только при правильном монтаже. Требования Infineon для двух распространённых корпусов:

Пасту Infineon советует наносить трафаретом: вручную равномерный слой в микронах не получить, а толщину нужно проверять гребёнкой для мокрого слоя. Зачем такая точность, объясняет Semikron Danfoss (раздел 5.3.4). Тонкий слой пасты быстро снижает тепловое сопротивление, заполняя воздушные полости. Лишняя паста увеличивает его снова — её теплопроводность ниже, чем у металлов, — но медленнее. Semikron Danfoss задаёт целевую толщину для каждой линейки модулей в инструкции по монтажу, обычно окном шириной 5–20 мкм, и советует при допусках оказаться чуть толще оптимума, а не тоньше: при недостатке пасты тепловое сопротивление растёт быстро.

Ещё несколько правил из AN2006-05. Поверхности протирают чистой безворсовой тканью, резьбовые отверстия не должны быть в пасте, иначе исказится момент. Для некоторых паст момент затяжки проверяют после прогревочного теста. Значения моментов действительны только для паст: для теплопроводящих плёнок производитель модуля их не гарантирует. Силовые выводы EconoDUAL 3 подключают винтами M6 класса не ниже 6.8 с моментом 3–6 Н·м; винт не должен входить в резьбу модуля глубже 10 мм. Звено постоянного тока подключают ламинированной шиной, чтобы уменьшить индуктивность и выброс при выключении.

Отказы и ресурс

Термоциклирование кристалла (power cycling). Каждый цикл нагрузки за секунды нагревает и остужает кристалл. Из-за разницы коэффициентов расширения кремния и алюминия трескаются и отрываются проволочные перемычки, а под кристаллом устаёт припой (AN2019-05, Semikron Danfoss, раздел 4.3.1). Ресурс зависит от максимальной температуры, размаха ΔTvj и длительности нагрева. Infineon считает модуль отказавшим, когда тепловое сопротивление выросло на 20 % или напряжение в открытом состоянии — на 5 %, а кривые строит для вероятности отказа 5 %. Примеры из AN2019-05: по примерной диаграмме при ΔTj = 60 К модуль выдерживает 300 000 циклов. Для промышленных модулей IGBT4 при нагреве от 85 до 125 °C (ΔTvj = 40 К) — 2,3 млн циклов, а с поправкой 0,57 на 10-секундный нагрев — 1,3 млн.

Термоциклирование корпуса (thermal cycling). Медленные изменения температуры основания за минуты нагружают пайку между подложкой DBC и медным основанием: трещины идут от углов, и тепловое сопротивление растёт. При размахе температуры корпуса 80 К модуль IHM с медным основанием выдерживает 3000 циклов, с основанием из AlSiC — 30 000 (AN2019-05, раздел 3). Колебания за секунды этот механизм не запускают.

Электрические отказы. Semikron Danfoss перечисляет механизмы разрушения при аварийных токах: перегрев выше Tvj max, динамический лавинный пробой при слишком большой плотности тока, статическое и динамическое защёлкивание, перенапряжение после выключения (раздел 9.6.1). Защёлкивание паразитного тиристора — классический риск IGBT. Однако, по словам Semikron Danfoss, конструктивные меры надёжно исключают его у всех современных IGBT во всех допустимых режимах: оно возможно лишь при плотности тока, в разы превышающей номинальную (раздел 2.4). От остальных причин защищают средства из разделов выше: от короткого замыкания — DESAT, успевающий за допустимые 10 мкс; от выброса — ламинированная шина и активное ограничение; от сквозного тока при паразитном включении — отрицательное напряжение на затворе или фиксатор Миллера; от отказа охлаждения — NTC, который, однако, от короткого замыкания не спасает.

Для маломощных источников питания на дискретных транзисторах подход к потерям и тепловому расчёту тот же, только токи меньше — обзор схем есть в разделе «Источники питания».