وبلاگ شرکت در مورد ترانزیستور IGBT Infineon IKW25N120T2 1200V 25A با دیود ضد موازی

شرکت شنزن مینگجیا دا الکترونیکس با مسئولیت محدود، ترانزیستور IGBT 1200 ولت 25 آمپر با دیود ضد موازی Infineon IKW25N120T2 را تامین می کند. ترانزیستور IGBT 1200 ولت 25 آمپر با دیود ضد موازی.

I. مدل و موقعیت محصول

IKW25N120T2 یک ترانزیستور IGBT تک ترانزیستوری 1200 ولت / 25 آمپر از سری TRENCHSTOP نسل دوم (T2) Infineon است. این دستگاه از پیکربندی 'DuoPack' استفاده می کند که تراشه IGBT را با یک دیود کنترل شده با امتر با بازیابی نرم و بازیابی سریع در یک بسته پلاستیکی PG-TO-247-3 ادغام می کند، با کد سفارش IKW25N120T2FKSA1 و علامت گذاری روی صفحه K25T1202.

تعیین مدل به وضوح مشخصات را نشان می دهد: 'IK' نشان دهنده IGBT با دیود ضد موازی است (در حالی که نامی که با 'IG' شروع می شود نشان دهنده IGBT تک تراشه بدون دیود است)؛ 'W' مخفف بسته TO-247 است؛ 25 نشان دهنده جریان کلکتور نامی 25 آمپر در دمای کیس 100 درجه سانتیگراد است؛ 120 نشان دهنده ولتاژ نامی 1200 ولت است؛ T2 به پلتفرم نسل دوم TRENCHSTOP اشاره دارد، با فناوری تراشه مشتق شده از ساختار میدان-ایستگاه گیت ترانشه IGBT نسل چهارم Infineon (IGBT4). محدوده فرکانس سوئیچینگ توصیه شده رسمی آن 2 کیلوهرتز تا 20 کیلوهرتز است؛ این دستگاه به عنوان یک دستگاه 'سوئیچینگ سخت فرکانس پایین' قرار گرفته است که تلفات هدایت را در اولویت قرار می دهد و در عین حال تلفات سوئیچینگ را نیز در نظر می گیرد و مکمل سری H3 است که برای عملیات فرکانس بالا طراحی شده است.

II. پلتفرم فنی و ویژگی های ساختاری

در قلب این دستگاه یک ساختار کامپوزیت شامل گیت ترانشه و ایستگاه میدان قرار دارد. گیت ترانشه کانال را از صفحه ای به عمودی تبدیل می کند، چگالی سلول و ترانس‌کانداکتانس را افزایش می دهد؛ لایه ایستگاه میدان یک بافر در انتهای دم ناحیه رانش تشکیل می دهد، که امکان ساخت تراشه را نازک تر در حالی که ولتاژ شکست 1200 ولت را حفظ می کند، فراهم می کند، بنابراین به طور همزمان افت ولتاژ اشباع و جریان دم خاموش شدن را کاهش می دهد. در مقایسه با IGBT های گیت صفحه ای قبلی، این نسل بهبودهایی را هم در مشخصات استاتیک و هم در مشخصات دینامیکی ارائه می دهد، به جای اینکه صرفاً تلفات حالت روشن را با تلفات سوئیچینگ مبادله کند.

دیود ضد موازی از طراحی با راندمان بالا (HE) کنترل شده با امتر استفاده می کند که با شکل موج بازیابی بسیار نرم و بار بازیابی قابل کنترل مشخص می شود. این امر جریان بازیابی معکوس پیک دیود را در لحظه روشن شدن IGBT سرکوب می کند، بنابراین تلفات روشن شدن و EMI را کاهش می دهد. این همچنین ارزش عملی بسته 'DuoPack' است: IGBT و دیود آن توسط همان سازنده طراحی و تطبیق داده شده اند تا در همان ناحیه تراشه قرار گیرند؛ کاربران نیازی به انتخاب یک دیود بازیابی سریع گسسته ندارند، که باعث صرفه جویی در فضا و هزینه می شود و در عین حال از خطاهای عدم تطابق جلوگیری می کند.

III. پارامترهای استاتیک کلیدی

ولتاژ کلکتور-امتر (VCE) 1200 ولت است (اندازه گیری شده در VGE = 0 ولت و IC = 500 میکرو آمپر)؛ حداکثر ولتاژ گیت-امتر ±20 ولت است؛ محدوده دمای پیوند عملیاتی -40 درجه سانتیگراد تا +175 درجه سانتیگراد است؛ و محدوده دمای ذخیره سازی -55 درجه سانتیگراد تا +150 درجه سانتیگراد است.

ظرفیت جریان به دو سطح تقسیم می شود: جریان کلکتور DC 50 آمپر در دمای کیس (TC) 25 درجه سانتیگراد، که در TC = 110 درجه سانتیگراد به 25 آمپر کاهش می یابد؛ این توضیح دهنده منشا رتبه '25 آمپر' است؛ جریان کلکتور پالسی ICPuls 100 آمپر است (محدود شده توسط Tjmax)، در حالی که ناحیه عملیاتی ایمن (SOA) برای خاموش شدن نیز 100 آمپر است (VCE ≤ 1200 ولت، Tj ≤ 175 درجه سانتیگراد). سمت دیود: جریان رو به جلو 40 آمپر در TC = 25 درجه سانتیگراد و 25 آمپر در TC = 110 درجه سانتیگراد است؛ جریان پالسی 100 آمپر است.

افت ولتاژ اشباع VCEsat، تحت شرایط VGE = 15 ولت و IC = 25 آمپر، به طور معمول 1.7 ولت در 25 درجه سانتیگراد (حداکثر 2.2 ولت)، به طور معمول 2.1 ولت در 150 درجه سانتیگراد، و به طور معمول 2.2 ولت در 175 درجه سانتیگراد است. این ارقام در سمت پایین برای کلاس 1200 ولت / 25 آمپر قرار دارند و مستقیماً منعکس کننده نقطه فروش 'VCEsat پایین' پلتفرم T2 هستند. مهمتر از آن، VCEsat دارای ضریب دمای مثبت است؛ افت ولتاژ در دماهای بالا به جای کاهش، افزایش می یابد. هنگامی که چندین دستگاه به صورت موازی متصل می شوند، جریان به طور طبیعی متعادل می شود و از فرار حرارتی ناشی از 'ربودن' جریان توسط دستگاه های منفرد جلوگیری می کند؛ در نتیجه، سازنده به صراحت 'موازی سازی آسان' را به عنوان یک ویژگی ذکر می کند.

سایر پارامترهای استاتیک: ولتاژ آستانه گیت VGEth 5.2 ولت / 5.8 ولت / 6.4 ولت (حداقل / معمول / حداکثر) است، و ترانس‌کانداکتانس gfs به طور معمول 13.5 S است (VCE = 20 ولت، IC = 25 آمپر). این توزیع گسترده ولتاژهای آستانه به این معنی است که دستگاه مستقیماً با درایورهای سطح منطقی (مانند 3.3 ولت یا 5 ولت) سازگار نیست؛ باید از یک درایور IGBT اختصاصی با ولتاژ روشن شدن +15 ولت استفاده شود. جریان نشتی در ولتاژ صفر گیت ICES تقریباً 0.4 میلی آمپر در 25 درجه سانتیگراد و 1200 ولت، تقریباً 4 میلی آمپر در 150 درجه سانتیگراد است و می تواند به 20 میلی آمپر در 175 درجه سانتیگراد برسد؛ تلفات مسدود کننده در دمای بالا باید در طول آماده به کار ولتاژ بالا یا در محیط های با دمای بالا در نظر گرفته شود و نمی توان آن را با مقادیر دماهای معمولی تخمین زد.

افت ولتاژ رو به جلو (VF) دیود به طور معمول 1.65 ولت در 25 درجه سانتیگراد و 1.7 ولت در 150 درجه سانتیگراد در IF = 25 آمپر است، با حداکثر 2.2 ولت.

IV. پارامترهای دینامیکی و تلفات سوئیچینگ

ظرفیت خازنی ورودی Ciss 1600 پیکوفاراد، ظرفیت خازنی خروجی Coss 155 پیکوفاراد، و ظرفیت خازنی انتقال معکوس Crss 90 پیکوفاراد است (VCE = 25 ولت، VGE = 0 ولت، 1 مگاهرتز)؛ بار گیت QGate 120 نانوکولن است (VCC = 960 ولت، IC = 25 آمپر، VGE = 15 ولت). این مجموعه داده ها قدرت درایو را تعیین می کنند: با استفاده از فرمول Qg × ΔVGE × fsw تخمین زده می شود، قدرت درایو گیت در 10 کیلوهرتز تقریباً 0.12 میکروکولن × 23 ولت × 10 کیلوهرتز، ≈ 28 میلی وات است. بار خود درایور بسیار سبک است؛ چالش اصلی در فعال سازی کاذب ناشی از dv/dt از ظرفیت میلر است، نه کمبود قدرت درایو.

تحت شرایط تست با بار القایی، VCC = 600 ولت، IC = 25 آمپر، VGE = 0/15 ولت، و RG = 16.4 اهم، مشخصات سوئیچینگ در دمای 25 درجه سانتیگراد به شرح زیر است: تاخیر روشن شدن td (on) 27 نانوثانیه، زمان افزایش tr 20 نانوثانیه، تاخیر خاموش شدن td (off) 265 نانوثانیه، زمان کاهش tf 95 نانوثانیه، انرژی روشن شدن Eon 1.55 میلی ژول، انرژی خاموش شدن Eoff 1.35 میلی ژول، و انرژی سوئیچینگ کل Ets 2.9 میلی ژول؛ در دمای 175 درجه سانتیگراد، td (on) 25 نانوثانیه، tr 24 نانوثانیه، td (off) 340 نانوثانیه، tf 164 نانوثانیه، Eon 2.25 میلی ژول، Eoff 2.05 میلی ژول، Ets 4.3 میلی ژول است.

قابل توجه ترین جنبه این مجموعه داده ها اثر دما است: در حالی که پارامترهای روشن شدن تقریباً بدون تغییر باقی می مانند، پارامترهای خاموش شدن به طور قابل توجهی بدتر می شوند، با افزایش tf از 95 نانوثانیه به 164 نانوثانیه و افزایش Eoff تقریباً 52 درصد. این به دلیل افزایش جریان دم در دماهای بالا است که یک ویژگی مشترک در تمام IGBT ها است. در نتیجه، محاسبات طراحی حرارتی نباید بر اساس مقدار Eoff در دمای 25 درجه سانتیگراد باشد؛ باید یک حاشیه ایمنی با استفاده از مقادیر برای 125 درجه سانتیگراد یا 175 درجه سانتیگراد اعمال شود، در غیر این صورت افزایش دمای واقعی از انتظارات فراتر خواهد رفت. علاوه بر این، برگه داده مشخص می کند که Eon در حال حاضر تلفات بازیابی معکوس دیود را شامل می شود؛ هنگام استفاده از Ets برای تخمین در سطح سیستم، برای جلوگیری از شمارش مضاعف، تلفات Qrr را به طور جداگانه اضافه نکنید.

بر اساس Ets 4.3 میلی ژول در دمای 175 درجه سانتیگراد، تلفات سوئیچینگ تقریباً 43 وات در 10 کیلوهرتز و تقریباً 86 وات در 20 کیلوهرتز است؛ این توضیح می دهد که چرا سازنده حد بالایی را در 20 کیلوهرتز تعیین کرده است - در فرکانس های بالاتر، تلفات سوئیچینگ به سرعت مزایای راندمان را از بین می برد، که سپس در قلمرو دستگاه های H3 یا IGBT7 قرار می گیرد.

V. جزئیات دیودهای ضد موازی زمان بازیابی معکوس دیود (trr) تحت شرایط VR = 600 ولت، IF = 25 آمپر، و diF/dt ≈ 1050 آمپر/میکروثانیه 195 نانوثانیه در 25 درجه سانتیگراد و 290 نانوثانیه در 175 درجه سانتیگراد است؛ بار بازیابی معکوس (Qrr) 2.05 میکروکولن در 25 درجه سانتیگراد و 3.65 میکروکولن در 175 درجه سانتیگراد است؛ جریان بازیابی معکوس پیک (Irrm) 20 آمپر در 25 درجه سانتیگراد و 24 آمپر در 175 درجه سانتیگراد است؛ شیب کاهش جریان بازیابی (dirr/dt) 475 آمپر/میکروثانیه در 25 درجه سانتیگراد و 330 آمپر/میکروثانیه در 175 درجه سانتیگراد است.

ماهیت 'نرم' این مجموعه داده ها در dirr/dt نسبتاً ملایم منعکس می شود که در دماهای بالا کندتر می شود؛ فرآیند بازیابی فاقد افت جریان شدید است، و بنابراین باعث ایجاد ولتاژهای اسپایک بزرگ در اندوکتانس پارازیتی باس نمی شود، که منجر به عملکرد خوب EMI می شود. مبادله یک Qrr نسبتاً بالا (3.65 میکروکولن در 175 درجه سانتیگراد) است؛ در یک بازوی پل سوئیچینگ سخت 20 کیلوهرتز، تلفات بازیابی دیود بخش قابل توجهی از کل تلفات را تشکیل می دهد. مبادله مهندسی به شرح زیر است: اگر برنامه اولویت را به نویز کم، ولتاژهای اسپایک کم و قابلیت اطمینان کلی سیستم بدهد، این ترکیب بازیابی نرم مناسب است؛ اگر هدف دستیابی به بالاترین راندمان ممکن در فرکانس بالا باشد، باید از دیودهایی با زمان بازیابی سریعتر، مانند آنهایی که با H3 یا IGBT7 سازگار هستند، استفاده شود.

VI. قابلیت اتصال کوتاه و ناحیه عملیاتی ایمن

IKW25N120T2پنجره 10 میکروثانیه الزامات روشنی را برای طراحی حفاظت تعیین می کند: زمان مسدود کردن برای تشخیص اشباع زدایی باید کمتر از 10 میکروثانیه باشد، و شیب خاموش شدن نرم باید به اندازه کافی ملایم باشد تا از ایجاد ولتاژ بیش از حد در اندوکتانس پراکنده در لحظه خاموش شدن و ایجاد شکست جلوگیری کند. اتصال کوتاه ای که بیش از 10 میکروثانیه طول بکشد، اجتناب ناپذیر منجر به خرابی می شود؛ بنابراین، این یک 'حفاظت اختیاری' نیست بلکه یک الزام اجباری است. همچنین باید توجه داشت که در دمای پیوند اولیه 175 درجه سانتیگراد، جریان اتصال کوتاه کاهش می یابد و پنجره تنگ تر می شود؛ بنابراین، باید برای آستانه حفاظت تحت شرایط عملیاتی با دمای بالا و بار سنگین، حاشیه ای در نظر گرفته شود.

VII. طراحی حرارتی و تخمین اتلاف توان

IKW25N120T2

مقاومت حرارتی Rthjc (IGBT) 0.43 K/W، Rthjc دیود 0.81 K/W، و مقاومت حرارتی پیوند به محیط Rthja 40 K/W است (بدون هیت سینک، همرفت طبیعی؛ فقط برای مرجع). در TC = 25 درجه سانتیگراد، اتلاف توان کل Ptot 349 وات است که به صورت خطی با دمای کیس کاهش می یابد.

مقاومت حرارتی دیود تقریباً دو برابر مقاومت IGBT (0.81 K/W) است؛ در مدارهای پل که چرخه وظیفه فری‌ویلینگ بالا است یا ضریب توان پایین است (یعنی جزء توان راکتیو بالا)، دمای پیوند دیود ممکن است ابتدا به حد خود برسد. هنگام انتخاب هیت سینک و محاسبه دمای پیوند، دیود باید به طور جداگانه محاسبه شود؛ نباید صرفاً به منحنی مقاومت حرارتی IGBT تکیه کرد.

VIII. ملاحظات کلیدی طراحی برای درایور و پیکربندی موازی

IKW25N120T2

برای درایور گیت، ولتاژ روشن شدن +15 ولت و ولتاژ خاموش شدن تقریباً -8 ولت توصیه می شود. بایاس خاموش شدن منفی مقاومت در برابر فعال سازی کاذب ناشی از dv/dt را به طور قابل توجهی بهبود می بخشد، که به ویژه برای دستگاه های 1200 ولت مهم است. پارامترهای سوئیچینگ در برگه داده برای RG = 16.4 اهم ارائه شده است؛ هنگام انتخاب مقاومت در عمل، می توان تنظیماتی را در اطراف این مقدار انجام داد: افزایش RG باعث کاهش di/dt و اسپایک ها می شود و EMI را سرکوب می کند، اما تلفات سوئیچینگ را افزایش می دهد؛ کاهش RG اثر معکوس دارد. از آنجایی که Eon بازیابی دیود را شامل می شود، مقاومت در سمت روشن نباید خیلی کم تنظیم شود، در غیر این صورت جریان پیک بازیابی و نوسانات افزایش می یابد.در مورد عملیات موازی، ضریب دمای مثبت VCEsat به طور طبیعی اشتراک گذاری جریان استاتیک را تسهیل می کند، که به طور رسمی 'موازی سازی آسان' نامیده می شود. با این حال، دو نکته نیاز به توجه در هنگام موازی سازی دارند: اولاً، پراکندگی 5.2 تا 6.4 ولت در VGEth باعث تغییرات جزئی در زمان بندی روشن شدن می شود؛ اشتراک گذاری جریان دینامیکی باید با استفاده از مقاومت های گیت مستقل برای هر دستگاه متعادل شود؛ ثانیاً، پس از موازی سازی، کل Qg و Ciss به صورت نمایی افزایش می یابد، بنابراین جریان پیک درایور باید به طور مناسب تقویت شود. توصیه نمی شود که یک مقاومت گیت واحد بین چندین دستگاه به اشتراک گذاشته شود.

IX. سناریوهای کاربرد معمول

IKW25N120T2

با توجه به مشخصات 1200 ولت، 25 آمپر و 2 تا 20 کیلوهرتز، این دستگاه معمولاً در موارد زیر استفاده می شود: مراحل اینورتر و PFC منابع تغذیه بدون وقفه (UPS)؛ مبدل های فرکانس و مبدل های فرکانس عمومی؛ توپولوژی های نیمه پل یا تک سر در جوشکاران قوس و گرمایش القایی با توان متوسط تا پایین؛ مراحل متصل به شبکه یا خارج از شبکه با توان پایین در سیستم های فتوولتائیک و ذخیره انرژی؛ نیمه پل های سوئیچینگ سخت در شارژرها و منابع تغذیه صنعتی؛ و محدوده توان حدود 1 کیلووات در درایوهای موتور سه فاز.

در کاربردهایی که یک رکتیفایر سه فاز 380 ولت ولتاژ باس تقریباً 540 ولت تولید می کند، یا جایی که یک منبع تک فاز 220 ولت به یک باس 400 ولت افزایش می یابد، حاشیه ارائه شده توسط ولتاژ تحمل 1200 ولت، همراه با کلمپینگ RCD یا سوئیچینگ نرم، برای مدیریت اسپایک های خاموش شدن و نوسانات شبکه کافی است - چیزی که دستگاه های کلاس 600 ولت قادر به دستیابی به آن نیستند. اگر باس به مدت طولانی در 800 ولت یا بالاتر کار کند، حاشیه افزایش باید مجدداً ارزیابی شود، یا باید از بسته چهار پین با امتر کلین برای بهبود حفاظت در برابر ولتاژ بیش از حد خاموش شدن استفاده شود.

IKW25N120T2

یک IGBT سوئیچینگ سخت 1200 ولت / 25 آمپر با کاربرد مشخص و سازگاری عالی پارامترها است. ارزش آن نه در عملکرد افراطی، بلکه در توانایی آن برای تضمین ثبات، سهولت طراحی و کنترل هزینه در گسترده ترین محدوده توان صنعتی - از 2 تا 20 کیلوهرتز - از طریق افت ولتاژ اشباع پایین، دیودهای تطبیق بسیار 'نرم'، موازی سازی با ضریب دمای مثبت (PTC) و قابلیت مقاومت در برابر اتصال کوتاه 10 میکروثانیه است. تنها با درک ویژگی های دمایی، توزیع مقاومت حرارتی و وضعیت چرخه عمر آن می توان از این دستگاه به طور کامل استفاده کرد.