Новый низкоиндуктивный корпус Easy 3B и 950‑В IGBT–диодная технология от Infineon

Фотоэлектрические системы с напряжением 1500 В DC получили широкое применение за последние два года на фоне бурного роста мирового рынка солнечной энергетики и меньшей нормированной стоимости энергии (LCoE). Все более распространенными становятся также многоуровневые инверторы за счет роста их удельной мощности, функциональной гибкости и простоте обслуживания. В соответствии с этой рыночной тенденцией компания Infineon разработала новый низкоиндуктивный корпус Easy 3B (на фото) и 950‑В IGBT–диодную технологию. Наряду с топологией ANPC (active neutral-point clamped – активная фиксация нейтральной точки) эта комбинация способствует увеличению плотности мощности 1500‑В DC многоуровневого инвертора фотоэлектрической системы, позволяя в еще большей мере уменьшить показатель LCoE.

На рисунке 1 показана типичная топология ANPC, применяемая в солнечных инверторах. Каждая из используемых шести подсистем состоит из IGBT-ключа (T1–T6) с антипараллельным диодом (D1–D6). Напряжение постоянного тока симметрично подается с вывода DC+ на N и с N на DC–. В топологии ANPC в подсистемах 1–4 используются устройства с быстрой коммутацией, а в подсистемах 5–6 – устройства с малыми статическими потерями. В режиме активной мощности, например при положительном выходном напряжении и положительном выходном токе, сплошные и пунктирные зеленые линии на рисунке 1 обозначают типичный коммутационный тракт. Ключ T1 коммутирует диод D2, а T5 постоянно включен. Таким образом, один основной коммутационный тракт для работы с активной мощностью находится между DC+ и N или между N и DC–. Следовательно, необходимо минимизировать влияние паразитных элементов в этих трактах, чтобы обеспечить оптимальные рабочие характеристики.

 

Новая технология 950‑В IGBT основана на использовании ячеек MPT (micro-pattern trench – микрошаблонная канавка), которые применяются в 650‑ и 1200‑В IGBT-транзисторах серий TRENCHS TOP 5 и IGBT TRENCHSTOP 7. Чтобы выполнить специфические требования к каждой подсистеме в топологии ANPC и оптимизировать эффективность системы, были разработаны два IGBT с независимыми характеристиками: ключ с быстрым переключением (S7), умеренными статическими потерями и гораздо меньшими динамическими потерями, и оптимизированный IGBT с малыми статическими потерями (L7). Новый диод на 950 В, созданный на основе хорошо известной 650‑В технологии RAPID, обеспечивает плавное переключение, радиационную стойкость и малые динамические потери.

На рисунке 2 показана сравнительная диаграмма параметров технологий MPT, рассчитанных на напряжения 650, 950 и 1200 В. В се значения приведены при температуре перехода TJ равной 150°C, номинальном токе и напряжении шины постоянного тока VDC равном 2/3 от соответствующего нормированного напряжения VCES. Видно, что устройства H5, в которых используется 650‑В технология MPT, характеризуются очень быстрым переключением и более высокими статическими потерями, которые также высоки у оптимизированных устройств L5. У устройств T7 на основе 1200‑В MPT-технологиистатические потери малы, а динамические потери – умеренные по сравнению с 1200‑В устройствами T4.

Как бы то ни было, из-за устойчивости к большому нормированному напряжению 1200‑В устройства T7 у него более высокие (почти в 8 раз) динамические потери, чем у S5, хотя и у того, и у другого – сопоставимые напряжения коллектор–эмиттер (VCE) при номинальном токе (INOM). Таким образом, 950‑В технология MPT восполняет этот пробел в рабочих характеристиках. Динамические потери устройств L7 примерно на 50% выше, чем у T7, но статические потери гораздо меньше. Динамические потери устройств S7 составляют всего лишь 1/3 от динамических потерь T7 при умеренных статических потерях. Следует иметь в виду, что плотность тока уменьшается с увеличением нормированного напряжения.

Плотность тока L7 и S7 примерно на 50% выше по сравнению с T7. Таким образом, если в силовом модуле используются кристаллы одинаковой площади, преимущества 950‑В IGBT проявляются в еще большей мере по сравнению с IGBT на 1200 В. Кроме того, сравнение L7 и S7 с современными 1200‑В транзисторами T4 и 650‑В E4 подчеркивает преимущества используемой технологией MPT.