IGBT Trench da 650V per applicazioni inverter

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Un IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) è un dispositivo di potenza, un portatore minoritario con una elevata impedenza di ingresso e la capacità di commutare alte correnti bipolari. Con queste caratteristiche un IGBT è adatto a molte applicazioni per elettronica di potenza, specialmente nei motori, nei gruppi di continuità (UPS, Uninterruptible Power Supply), nelle energie rinnovabili, nelle macchine per saldature, nei forni a induzione e in altre applicazioni inverter che richiedono alte correnti e alte tensioni. La capacità di resistere ai corto circuiti è un’altra importante caratteristica degli IGBT in funzione delle applicazioni inverter.

Fig. 1 – Caratteristiche di trade-off

Nelle applicazioni per UPS o motori pilotate da inverter, l’IGBT può finire distrutto nel momento in cui dovesse essere attivato in presenza di un motore guasto, di un corto circuito in uscita o di uno shoot-through sulla tensione del bus di ingresso: in tutte queste condizioni la corrente che passa attraverso l’IGBT aumenta rapidamente fino al punto di saturazione. L’IGBT deve riuscire a sopportare tale stress fino al momento in cui scatta il rilevamento della condizione di guasto e la conseguente funzione di protezione. Dal punto di vista topologico si sta diffondendo la topologia a tre livelli con clamp sul punto neutro anche nel caso degli inverter di bassa e media potenza, dal momento che permette di ridurre le dimensioni del filtro e i relativi costi grazie a migliori performance spettrali della tensione di uscita e un possibile aumento della frequenza di commutazione senza grandi sacrifici in termini di perdita di switching. In questo caso una tensione di rottura di 650V rappresenta un notevole aiuto per soddisfare i requisiti applicativi.

Dato che la tensione DC di link non può essere bilanciata perfettamente in una topologia NPC a tre livelli, una superiore tensione di blocco è essenziale in questo caso. Con lo sviluppo degli IGBT da 650V è importante mantenere le perdite di conduzione e di commutazione allo stesso livello di quelle degli IGBT da 600V. Di solito una superiore tensione di rottura causa un incremento del valore Vce(sat), provocando a sua volta un degrado delle prestazioni nelle applicazioni inverter. Non solo: il valore Vce(sat) e le prestazioni di switching sono antitetici, e questo significa che compensare l’aumento della tensione Vce(sat) a causa della superiore tensione di rottura può portare a un rallentamento delle prestazioni di commutazione e a un incremento delle relative perdite di sistema.

Pertanto nello sviluppo di IGBT da 650V è essenziale trovare un punto di equilibrio ottimale nella curva dei due valori. Un nuovo IGBT Field Stop Trench è stato sviluppato proprio per risolvere questa esigenza: possiede una tensione di rottura di 650V, una tensione Vce(sat) molto bassa e la capacità di resistere ai corto circuiti. Le prestazioni del nuovo IGBT sono verificate attraverso una valutazione condotta a livello di sistema.

La tecnologia Field Stop Trench

La tecnologia Field Stop Trench utilizza la struttura trench gate e uno strato di buffer n+ ad alto drogaggio per la funzione punch-through. Con queste caratteristiche, la nuova tecnologia IGBT ha raggiunto una densità di cella superiore rispetto alle tecnologie di precedente generazione. Di conseguenza, comporta una caduta di tensione on-stage molto inferiore a parità di area di silicio. La densità di corrente del nuovo IGBT Field Stop Trench è più che doppia rispetto alla precedente tecnologia Field Stop planare.

La figura 1 evidenzia le caratteristiche di trade-off del nuovo IGBT Field Stop Trench 75A/650V FGH75T65UPD rispetto a quelle dell’IGBT Field Stop planare 75A/650V di precedente generazione FGH75N60UF. Il nuovo FGH75T65UPD raggiunge 1,65V di Vce(sat) a 25oC e 75A, mentre il precedente FGH75N60UF tocca 1,9V alle stesse condizioni. Esiste un significativo miglioramento considerando l’aumento della tensione di rottura a 650V e la ridotta area attiva dal momento che, in generale, una più alta tensione di blocco e dimensioni più piccole conducono all’aumento della tensione Vce(sat). Un valore Vce(sat) basso è il vantaggio principale del nuovo IGBT Field Stop Trench: la sua tecnologia riduce anche le perdite di energia al turn-off per ciclo di switching, come mostrato nella figura 1.

Questa caratteristica permette ai progetti basati su inverter di soddisfare la richiesta di superiore efficienza di sistema espressa dal mercato. Nonostante l’area di silicio ridotta, il nuovo IGBT Field Stop Trench resiste ai corto circuiti per 5us prima che intervenga il danneggiamento causato dal runaway termico, un intervallo di tempo che non era disponibile negli IGBT di precedente generazione. Il nuovo IGBT Field Stop Trench vanta inoltre una bassa perdita di tensione in off-state, mentre la temperatura massima di giunzione è specificata a 175oC.

Risultati delle valutazioni competitive

Il nuovo IGBT Field Stop Trench viene confrontato con dispositivi concorrenti che utilizzano una tecnologia field stop simile. Nei test di commutazione a Tj=25oC, Ic=80A, Vce=400V, Vge=15V e Rg=5Ohm, il dispositivo FGH75T65UPD mostra una perdita di energia allo switch-off di 183uJ. L’IGBT concorrente da 75A/600V raggiunge invece una perdita di commutazione di 231uJ. Passando al recovery inverso del diodo presente nel package in condizioni di test If=40A, Tj=125oC, Vr=400V e di/dt=500A/us, il Qrr del nuovo IGBT Field Stop Trench è 1,17uC, assai meno del valore di 3,98uC of dell’IGBT concorrente. Il valore Qrr limitato riduce le perdite allo switch-on di un IGBT in un leg nel caso di topologie bridge.

Le performance di commutazione sono verificate mediante un inverter fotovoltaico commerciale da 5,5kW collegato alla rete commerciale e dotato di uno stadio boost front-end e di uno stadio inverter full-bridge controllato bipolare. Le frequenze di commutazione di entrambi gli stadi sono pari a 19kHz. Lo stadio boost rimane invariato rispetto al design originale, mentre il dispositivo FGH75T65UPD e l’IGBT concorrente sono applicati allo stadio inverter full-bridge.

Fig. 2 – Efficienza dell’inverter PV

La figura 2 mostra i test di efficienza condotti sul dispositivo FGH75T65UPD e sull’IGBT concorrente. I valori di efficienza EURO e CEC pesati sono rispettivamente del 94,37% e 95,08% per il dispositivo FGH75T65UPD e del 93,67% e 94,37% per l’IGBT concorrente. Il nuovo IGBT Field Stop Trench ha registrato dunque un’efficienza migliore grazie alle superiori caratteristiche di commutazione.

Fig. 3 – Efficienza dell’inverter PV

La figura 3 mette invece a confronto il nuovo IGBT Field Stop Trench da 50A FGH50T65UPD con i suoi concorrenti. Il dispositivo FGH50T65UPD evidenzia un comportamento migliore a 10A e 20A, ovvero dove si trovano i livelli di corrente di funzionamento della maggior parte delle applicazioni. In base a queste caratteristiche, viene stimata la perdita di potenza del sistema. Il sistema di riferimento è un inverter full-bridge da 3kW a frequenza mista. Due IGBT low-side vengono commutati alla frequenza di linea, e due IGBT high-side vengono commutati a 17kHz.

Fig. 4 – Stime della perdita di potenza

Le perdite di potenza stimate sono riepilogate nella figura 4. Per verificare tali stime, l’efficienza del sistema viene valutata con due IGBT: il dispositivo FGH50T65UPD e l’IGBT concorrente n.3, che possiede una perdita di potenza simile a quella del FGH50T65UPD. La figura 5 indica l’efficienza misurata al sistema inverter da 3kW. L’IGBT concorrente n.3 si avvicina al dispositivo FGH50T65UPD a pieno carico, rispettando in questo modo le stime. La differenza in termini di efficienza aumenta al ridursi del carico: anche questo è in linea con la figura 3, che mostra come il dispositivo FGH50T65UPD risulti nettamente migliore rispetto ai dispositivi concorrenti quando il livello di corrente è basso.

Fig. 5 – Efficienza dell’inverter full-bridge a frequenza mista

Sungmo Young, industrial power system team di Fairchild Semiconductor Korea

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