В настоящее время российские разработчики в значительной мере лишились возможности использовать привычные компоненты западных компаний. Взамен них используются ближайшие российские аналоги, а чаще — продукция китайских предприятий. Такая же ситуация сложилась и с IGBT. В статье мы кратко рассмотрим IGBT китайских производителей и сравним их с изделиями мирового лидера — компании Infineon. Статья носит справочный характер, в ней не рассматриваются топологии силовых каскадов с IGBT и принципы их работы.
Введение
Хотя первые IGBT появились уже в далеком 1985 году, нельзя сказать, что они оказались на «технологической полке», когда даже для минимальных усовершенствований продукта требуются столь значительные затраты, что всякое улучшение теряет смысл. До сих пор IGBT продолжают совершенствоваться, и ведущие производители регулярно сообщают о появлении транзисторов новых поколений, превосходящих по параметрам своих предшественников.
IGBT на российском рынке
Сегодня на российском рынке предлагаются IGBT нескольких китайских производителей. Рассмотрим продукцию китайских компаний Leapers, StarPower, Xiner, CRRC и других предприятий, а также российской компании «Протон-Электротекс». В качестве эталона для сравнения возьмем IGBT производства немецкой компании Infineon, мирового лидера в сегменте силовых компонентов.
Для сравнения выберем популярные полумостовые модули в корпусе ED3 с нормируемым напряжением коллектор-эмиттер 1200 В и током коллектора 450 А. Такие сборки служат основой для построения инверторов и преобразователей частоты. При сравнении мы будем рассматривать основные, на наш взгляд, параметры модулей.
Все рассматриваемые IGBT изготовлены по технологии Trench-FS со слоем Field-Stop (FS). Схематично структура такого IGBT приведена на рис. По сравнению с планарной структурой температурный коэффициент прямого падения напряжения у Trench-FS лучше, и у этого IGBT больше устойчивость к перегрузкам по току. Хвост тока при выключении Trench-FS несколько выше, но спадает он значительно быстрее.
К сожалению, не существует единого общепринятого стандарта определения параметров IGBT, поэтому некоторые параметры в справочной документации определены для разных условий. В таблице 1 приведены параметры, которые в первую очередь обычно учитываются при выборе силовых сборок: максимально допустимый ток коллектора и ток короткого замыкания, максимальная рассеиваемая мощность, а также тепловые сопротивления переход-корпус IGBT и антипараллельного диода. Как видно из таблицы, компании оценивают максимальный длительный ток и максимальную рассеиваемую мощность при разной температуре корпуса TC, но при одинаковой температуре перехода TVJ = +175 °С.
Важным параметром, определяющим потери на проводимость, является напряжение насыщения коллектор-эмиттер VCESAT. Значение этого параметра при разной температуре перехода приведено в таблице 2. Для выбора драйверов затвора и оценки потерь на управление необходимо знать входную емкость CIES, обратную передаточную емкость (емкость Миллера) CRES и заряд затвора QG. Все три параметра представлены в таблице 3.
Наверное, самыми значимыми для разработчиков являются динамические параметры IGBT; они представлены в таблице 4. Чтобы не загромождать таблицу излишними данными, все параметры в ней указаны при температуре перехода +150°С (+175 °С для IGBT Xiner). При сравнении динамических параметров следует учесть разные сопротивления в цепи затвора. К сожалению, все производители, кроме «Протон-Электротекс», не указывают величину индуктивности нагрузки, при которой проводились испытания. Возможно, именно этими обстоятельствами и объясняются существенные различия динамических параметров IGBT.
Параметры антипараллельных диодов для температуры перехода +150 °С приведены в таблице 5. Как и при определении динамических параметров, не все производители указали индуктивность нагрузки, при которой проходили испытания.
Выводы
Мы рассмотрели некоторые основные параметры полумостовых сборок IGBT производства немецкой, российской и китайской компании. В идеальном варианте хотелось бы испытать все сборки на одном и том же стенде при одинаковых условиях. Но мы доверимся справочными данными от производителей.
Однако проблема заключается не в скептическом отношении к продукции производителей — это известные компании, чьи изделия продаются во многих странах. Нет оснований подозревать эти компании в обмане. Но поскольку не существует единого стандарта на испытание сборок IGBT, довольно трудно привести данные от производителей к общему знаменателю, чтобы выявить лидеров и аутсайдеров.
С другой стороны, условия проведения испытаний в разных компаниях не настолько разительно отличаются друг от друга, чтобы не попытаться сделать выводы из сравнения справочных данных. Возьмем на себя смелость утверждать, что продукция китайских производителей CRRC, Leapers, Xiner, StarPower во многих случаях вполне способна заменить сборки IGBT мирового лидера Infineon.
Возможно, параметры сборки IGBT от Infineon выглядят более сбалансированными, но и китайцам есть чем гордиться: например, высокая устойчивость их сборок к токам короткого замыкания и способность рассеивать высокую мощность свидетельствуют о высокой квалификации китайских инженеров и хорошей проработанности конструкции сборки.
Похоже, специалисты российской компании «Протон-Электротекс» разделяют философию своих коллег из Infineon и так же, как они, создали сбалансированное изделие.
Подводя итоги, можно сказать, что уход западных производителей IGBT, конечно, сказался на российских компаниях — им приходится искать замену привычным, проверенным компонентам, налаживать логистические цепочки. Тем не менее замена есть: на российском рынке предлагаются сборки IGBT китайских компаний; во многих случаях использование этих изделий не приведет к ухудшению качества и функциональности всего продукта в целом.
Таблица 1. Максимально допустимый ток коллектора и максимальная рассеиваемая мощность
|
Параметр |
CRRC |
Leapers |
Xiner |
StarPower |
«Протон-Электротекс» |
Infineon |
|---|---|---|---|---|---|---|
|
Длительный ток |
450 А при TC = +25 °С и TVJ = +175 °С |
600 А при TC = +100 °С |
450 А при TC = +25 °С и TVJ = 175 °С |
450 А при TC = 25 °С и TVJ = 175 °С или 680 А при TC = +100 °С и TVJ = +175 °С |
450 А при TC = 80 °С и TVJ = 175 °С или 601 А при TC = +25 °С и TVJ = +175 °С |
450 А при TC = +100 °С и TVJ = +175 °С или 675 А при TC = +25 °С и TVJ = +175 °С |
|
Ток короткого замыкания, А, при TVJ = +150 °С, длительность не более 10 мкс |
1900 |
2000 |
2400 |
1800 |
1525 |
1800 |
|
Максимальная рассеиваемая мощность |
2800 Вт при ТC = +100 °С и TVJ = +175 °С |
3750 Вт при ТC = 25 °С и TVJ = 175 °С |
2150 Вт при ТC = +25 °С и TVJ = +175 °С |
2173 Вт при |
Нет данных |
2250 Вт при TC = +25 °С и TVJ = +175 °С |
|
Тепловое сопротивление переход-корпус IGBT, К/Вт |
0,052 |
0,04 |
0,07 |
0,069
|
0,054 |
0,066 |
|
Тепловое сопротивление переход-корпус антипараллельного диода, К/Вт |
0,086 |
0,07 |
0,05 |
0,108 |
0,11 |
0,045 |
Таблица 2. Напряжение насыщения коллектор–эмиттер VCESAT
|
Параметр |
CRRC |
Leapers |
Xiner |
StarPower |
«Протон-Электротекс» |
Infineon |
|---|---|---|---|---|---|---|
|
Напряжение насыщение коллектор–эмиттер при температуре перехода, VCESAT/Т °С |
1,65 В/25 °С; 2,0 В/150 °С |
1,65 В/25 °С; 1,85 В/150 °С |
1,75 В/25 °С; 2,05 В/150 °С |
1,7 В/25 °С; 2,05 В/150 °С |
2,25/25 °С; 2,95 В/150
|
1,75 В/25 °С; 2,05 В/150 °С
|
Таблица 3. Входная емкость CIES, обратная передаточная емкость (емкость Миллера) CRES и заряд затвора QG
|
Параметр |
CRRC |
Leapers |
Xiner |
StarPower |
«Протон-Электротекс» |
Infineon |
|---|---|---|---|---|---|---|
|
Входная емкость CIES, нФ |
62 |
39 |
30,5 |
Нет данных |
34,0 |
28,0 |
|
Обратная передаточная емкость CRES, нФ |
0,82 |
1,39 |
1,0 |
Нет данных |
1,3 |
1,55 |
|
Заряд затвора QG, нКл
|
4600 |
3300 |
1620 |
Нет данных |
1750 |
3300 |
Таблица 4. Динамические параметры IGBT
|
Параметр |
CRRC |
Leapers |
Xiner |
StarPower |
«Протон-Электротекс» |
Infineon |
|---|---|---|---|---|---|---|
|
Задержка на включение tD(ON), нс |
267 |
195 |
187 |
328 |
234 |
220 |
|
Время нарастания тока коллектора tR(ON), нс |
102 |
58 |
66 |
76 |
63 |
70 |
|
Задержка на выключение tD(OFF), нс |
730 |
515 |
504 |
539 |
436 |
620 |
|
Время спада тока коллектора tR(OFF) , нс |
270 |
255 |
218 |
108 |
239 |
120 |
|
Потери энергии на включение EON, мДж |
88 |
78,9
|
36 |
19,5 |
9,5 |
28,5 |
|
Потери энергии на выключение, EOFF, мДж |
62 |
52,21 |
51 |
46,6 |
57,5 |
61,5 |
Таблица 5. Параметры антипараллельного диода
|
Параметр |
CRRC |
Leapers |
Xiners |
StarPower |
«Протон-Электротекс» |
Infineon |
|---|---|---|---|---|---|---|
|
Прямое падение напряжения VF, В |
1.75 |
1,7 |
2,4 |
1,65 |
2,7 |
1,65 |
|
Пиковый обратный ток IRM, А |
440 |
266 |
318 |
354 |
435 |
575 |
|
Заряд восстановления обратного сопротивления Qr, мкКл |
100 |
84,87 |
53 |
79,6 |
48,5 |
105 |
|
Потери энергии восстановления обратного сопротивления EREC, мДж |
50 |
29,89 |
24 |
35,8 |
37,5 |
55 |
-
ПроизводительКорпусОписание