Misurazione della perdita di conduzione IGBT per massimizzare l'efficienza

Introduzione

Le prestazioni e l'efficienza di un transistor bipolare a gate isolato possono essere quantificate in base alla perdita di commutazione durante la transizione tra lo stato ON e OFF e alla perdita di conduzione. Gli IGBT ad alte prestazioni sono solitamente realizzati con un IGBT e un diodo nello stesso package semiconduttore. Sia l'IGBT che il diodo contribuiscono alle perdite combinate e occorre tenere in considerazione le loro interazioni.

Le perdite di conduzione degli IGBT e dei diodi sono il risultato della corrente che scorre attraverso il collettore o della tensione nello stato ON (tensione di saturazione e anodica) durante il ciclo di conduzione. In questo white paper verrà illustrato uno dei metodi più efficaci per ridurre le perdite di commutazione mediante la manipolazione delle forme d'onda di tensione e corrente di un IGBT durante le fasi di accensione e spegnimento. Illustrerà inoltre come questo approccio contribuisca a ridurre significativamente, o addirittura a eliminare, le perdite che si verificano durante il tempo di sovrapposizione.

Nozioni di base sull'IGBT

La costruzione di un IGBT richiede ulteriori approfondimenti per gettare le basi per l'analisi. I primi IGBT introdotti decenni fa erano stati sviluppati come dispositivi di commutazione che univano il MOSFET controllato dalla tensione al gate con il transistor a giunzione bipolare controllato in corrente al collettore e all'emettitore. Questo progetto ha combinato in modo efficace i vantaggi di due collaudati dispositivi di commutazione per creare un dispositivo bipolare controllato dalla tensione. La figura 1 mostra il circuito equivalente dell'IGBT, in cui il gate è un MOSFET e lo stadio di uscita è un dispositivo a portatori minoritari bipolari PNP. Inoltre, nella Figura 2 è mostrato un IGBT in un circuito di prova etichettato con parametri di interesse.

Controllo delle cadute di tensione

Un IGBT ha una caduta di tensione fissa, non proporzionale alla corrente che conduce. Questo è diverso da un MOSFET che ha una caduta di tensione che può essere misurata come la resistenza del canale moltiplicata per la corrente. Dato che un MOSFET è un dispositivo a portatori di maggioranza, utilizza un canale di conduzione implementato con il proprio tipo di portatori, in genere un dispositivo di potenza a canale N che conduce elettroni. Il MOSFET controlla il flusso di corrente modificando la resistenza del canale, mentre un transistor bipolare controlla la corrente modificando i portatori iniettati.

Questi effetti vengono ottimizzati internamente durante la progettazione delle giunzioni dei semiconduttori e delle concentrazioni di drogaggio delle singole regioni. In particolare, la resistenza del canale MOSFET viene ridotta per aumentare la corrente di base PNP, che di conseguenza riduce la quantità di cariche P necessarie per ottenere la stessa caduta di tensione sull'IGBT. Ciò ridurrà anche la carica immagazzinata e la corrente di coda. Separatamente, la riduzione dello spessore della base PNP contribuisce a produrre questi risultati positivi.

Superare carenze e correnti di coda

L'IGBT è il dispositivo ideale per applicazioni a corrente medio-alta e ad alta tensione. Nelle applicazioni hard-switched e negli azionamenti inverter, un IGBT può far passare più corrente di un MOSFET autonomo in un package di dimensioni simili. I vantaggi collaterali sono una ridotta capacità di ingresso e costi ridotti. In genere, un IGBT offre una perdita per conduzione migliorata rispetto a un MOSFET, grazie al contributo della corrente di collettore dell'IGBT rispetto alla corrente di drain al quadrato del MOSFET.

Tuttavia, è noto che gli IGBT hanno perdite di commutazione maggiori rispetto ai MOSFET. Ciò significa che gli IGBT sono più adatti alle applicazioni con frequenza di commutazione più bassa, a causa dell'uscita bipolare dei portatori di minoranza. Nello specifico, la transizione tra gli stati non è istantanea. La carica immagazzinata nel BJT interno crea una corrente di "coda" per un breve "tempo di coda" finché tutti i portatori minoritari non sono stati rimossi. Quando si ottimizza l'efficienza del dispositivo, il tempo di coda determina la frequenza di commutazione massima consentita in modo che le perdite di commutazione rimangano ragionevoli. Esiste un compromesso tra il tempo di coda e la caduta di tensione diretta del diodo. È auspicabile ridurre il tempo di coda e la caduta di tensione diretta per consentire agli IGBT di funzionare in modo efficiente, avvicinandosi all'estremità superiore dell'intervallo comune compreso tra 4 kHz e 20 kHz.

In molte applicazioni di elettrodomestici, la frequenza desiderata è di 20 kHz, in gran parte perché il rumore udibile generato dal dispositivo non è percepibile dall'orecchio umano. Negli azionamenti motore e nelle applicazioni hard-switching che non richiedono un trasformatore di isolamento, non vi è alcun vantaggio nel superare l'intervallo udibile, poiché la frequenza più elevata non aumenterebbe l'efficienza della progettazione del motore. Ciò conferma che l'IGBT è la scelta ottimale per gli azionamenti dei motori e le applicazioni di commutazione rigida.

La sovrapposizione causa la perdita di commutazione

I principali compromessi nella progettazione degli IGBT sono la robustezza nella progettazione del chip, la perdita di commutazione in fase di spegnimento e la perdita di tensione in stato di accensione. È importante misurare e comprendere le interazioni delle forme d'onda di tensione, corrente e perdita durante il normale funzionamento dell'IGBT per manipolare i parametri e quindi massimizzare l'efficienza dell'IGBT in varie applicazioni.

Nelle applicazioni che utilizzano gli IGBT come interruttori rigidi, c'è un periodo definito di perdita di potenza ad ogni transizione da OFF a ON o da ON a OFF. Ciò è dovuto alla presenza di tensione sui collegamenti collettore-emettitore dell'interruttore mentre la corrente scorre attraverso l'IGBT. La figura 3 illustra la tensione, la corrente e la perdita riscontrate attorno e in ciascuna di queste transizioni.

Le forme d'onda di tensione e corrente vengono moltiplicate in ogni punto per ottenere la forma d'onda della perdita di potenza istantanea. Da notare il forte impulso di perdita di potenza durante la commutazione. Dal momento che la potenza persa per ogni transizione di commutazione è costante e la transizione di commutazione è costante, la perdita di potenza di commutazione aumenta con la frequenza di commutazione. Pertanto, le frequenze più basse riducono la perdita totale di commutazione. Gli IGBT Bourns® sono realizzati utilizzando la tecnologia Trench-Gate Field-Stop (TGFS). La struttura Trench-Gate (TG) determina una maggiore densità di canali nella porzione MOSFET del dispositivo. Inoltre, la tecnologia TGFS contribuisce a ridurre la caduta di tensione nello stato ON rispetto a una struttura IGBT planare. Ciò aiuta a ridurre le perdite di conduzione. La presenza dello strato Field-Stop (FS) contribuisce anche a ridurre l'energia di commutazione totale. FS contribuisce inoltre ad aumentare il guadagno e a ridurre la durata di vita dei portatori minoritari, con conseguente estinzione della corrente di coda quando l'IGBT viene spento. Ciò contribuisce anche ad aumentare la velocità del dispositivo rispetto a un dispositivo di dimensioni simili ma senza lo strato FS.

Determinazione della perdita di conduzione

Ogni volta che un IGBT o il suo diodo a recupero rapido co-confezionato è acceso e conduce corrente, si verificherà una perdita di conduzione. Questa perdita viene caratterizzata come dissipazione della potenza e si ottiene moltiplicando la tensione nello stato ON per la corrente nello stato ON. Nelle applicazioni basate sulla tecnologia di modulazione di larghezza dell'impulso (PWM), il fattore di utilizzazione del tempo deve essere incluso come moltiplicatore per arrivare alla potenza dissipata media.

Il primo posto in cui cercare l'approssimazione delle perdite di conduzione sono le schede tecniche degli IGBT e dei diodi a libera circolazione. L'IGBT ha una tensione nominale (V_CE(sat)) basata sulla temperatura; moltiplicando questo valore per la corrente media prevista del dispositivo per l'applicazione si ottiene un'approssimazione della potenza dissipata per l'IGBT. Allo stesso modo, la scheda tecnica del diodo a libera circolazione avrà una caduta di tensione diretta (V_f) che può essere moltiplicata per la corrente media prevista del diodo per ottenere il suo contributo alla potenza dissipata complessiva. Per ottenere la migliore approssimazione per le applicazioni PWM è necessario tenere conto dei cicli di lavoro. Queste stime tendono ad essere conservative poiché il valore V_CE(sat) in pratica sarà inferiore al valore della scheda tecnica quando la corrente è inferiore alla corrente nominale (I_C).

A frequenze di commutazione inferiori a 10 kHz, la maggior parte della perdita di potenza totale è dovuta alla perdita per conduzione. Una bassa perdita per conduzione è dovuta al meccanismo di conduzione caratteristico di un transistor di potenza bipolare negativo-positivo-negativo (NPN), che è V_CE quasi costante con corrente di collettore. Ciò è in contrasto con un canale a bassa resistenza come nel MOSFET, in cui la caduta di tensione viene calcolata moltiplicando la corrente per la resistenza. Ignorata per convenzione a causa del suo contributo trascurabile alla perdita di potenza totale, la perdita per blocco dell'IGBT può essere calcolata moltiplicando la tensione di blocco per la corrente di dispersione quando l'IGBT è spento.

Poiché la perdita di conduzione prevale sulla perdita totale nelle applicazioni di controllo motore, la tensione di saturazione e la caduta di tensione diretta diventano variabili critiche nella progettazione. V_CE(sat) dovrebbe essere ridotto il più possibile a causa della bassa velocità di commutazione caratteristica delle applicazioni del motore. Un compromesso applicativo diffuso tra caduta di tensione diretta e velocità di commutazione viene spesso utilizzato per migliorare la resistenza al cortocircuito.

Basso e lento

La questione quindi è come ridurre V_CE. La risposta è un gate drive più duro, una tensione più alta (V_CC), una corrente di esercizio più bassa e una ridotta impedenza del gate drive.

Come già detto, l'IGBT presenta delle limitazioni nella velocità di commutazione dovute al tempo di coda del dispositivo. I tempi di coda possono essere ridotti se il V_CE(sat) del dispositivo è più alto. Tuttavia, questo compromesso potrebbe non valere la pena. In generale, esiste una relazione inversa tra i portatori e sia V_CE(sat) che la frequenza di commutazione. La presenza di più portatori si traduce in una frequenza di commutazione più lenta con un V_CE(sat) più basso. Al contrario, un minor numero di portanti determina un V_CE(sat) e una frequenza di commutazione più elevati. Sono state sviluppate diverse tecnologie che tentano di ottimizzare sia i tempi di commutazione sia la caduta di tensione diretta, garantendo al contempo una robusta resistenza ai cortocircuiti.

Visualizzare le perdite

La figura 4 illustra i parametri fondamentali della perdita di commutazione e della perdita di conduzione durante un ciclo di commutazione completo. Si noti che la transizione è considerata efficace ai livelli del 10% e del 90% di V_GE, I_C e V_CE. Quando la tensione gate-emettitore (V_GE) raggiunge il livello del 10%, inizia la transizione verso l'accensione. I ritardi temporali vengono misurati quando le forme d'onda attraversano i livelli del 10% e del 90%.

Il tempo impiegato dall'IGBT per passare a ON è dato da t3-t0. Il ritardo tra il momento in cui V_GE raggiunge il 10% e il tempo impiegato da I_C per raggiungere il 10% è dato da t1-t0. Il tempo di salita è il tempo impiegato da I_C per aumentare dal 10% al 90%, dato da t2-t1.

E_on è la perdita di energia all'accensione, ovvero l'area sotto la forma d'onda della perdita di potenza dal 10% di aumento di I_C, t1, al 90% di calo di V_CE, t3-t1. La forma d'onda della perdita di potenza viene calcolata moltiplicando I_C e V_CE in ogni momento e viene approssimata dall'area ombreggiata sotto E_on ed E_off. E_off è l'energia di spegnimento data dall'area sotto la curva dal 10% di aumento di V_CE, t6, al 90% di calo di I_C, t7.

Il ritardo nell'inizio della transizione di tensione verso l'alto per spegnere l'IGBT è dato da t6-t5. Considerando la transizione dal 90% V_GE al 10% I_C, il tempo è dato da t7-t5. Il ritardo tra il momento in cui I_C scende dal 90% al 10% è il tempo di caduta, dato da t7-t6. Infine, il tempo di coda è mostrato dalla corrente di collettore di coda che esiste dal momento in cui I_C scende al segno del 10% fino a quando tutte le cariche sono state eliminate e la corrente raggiunge zero. Questo può essere misurato come la differenza tra t8 e t7.

Conclusione

Riepilogando, le perdite di potenza da tenere in considerazione in un dispositivo di commutazione di potenza sono: perdita per conduzione, perdita per commutazione all'accensione, perdita per commutazione allo spegnimento e perdita per blocco. I calcoli e le forme d'onda presentati in questo documento sono stati sviluppati per aiutare i progettisti a comprendere gli effetti dei vari parametri IGBT e i relativi effetti sulla perdita di potenza e sull'efficienza complessiva. Per analisi pratiche o specifiche dell'applicazione, puoi utilizzare un banco di prova per valutare le prestazioni e misurare le forme d'onda tipicamente riscontrabili con gli IGBT. Con il continuo sviluppo della tecnologia integrata negli IGBT in termini di efficienza e robustezza, si prevede un aumento della gamma di applicazioni degli IGBT. I compromessi rimarranno costanti e la perdita di potenza dominante continuerà a essere quella per commutazione o per conduzione. La misurazione e la manipolazione dei parametri IGBT consentono ai progettisti di massimizzare l'utilità del dispositivo e i vantaggi applicativi.

Risorse aggiuntive

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