La tecnologia IGBT7 offre potenza, prestazioni e precisione

Articolo sponsorizzato

di Amit Gole, product marketing manager for integrated power solutions,  Microchip Technology

La nuova tecnologia IGBT7 presenta caratteristiche distintive quali tensione diretta inferiore, correnti nominali più elevate, capacità di sovraccarico a 175 °C, controllo dv/dt migliorato e diodo a ruota libera potenziato. In combinazione con un innovativo packaging a bassa induttanza, la tecnologia IGBT7 offre facilità d’uso, maggiore robustezza, densità di potenza più elevate ed efficienza migliorata, il tutto riducendo i costi di sistema per potenziare un’ampia gamma di settori, tra cui azionamenti motorizzati, aerospaziale, energie rinnovabili, sistemi ESS (energy storage system), data center e veicoli commerciali e agricoli.

Gli IGBT sono i cavalli di battaglia per una miriade di applicazioni di elettronica di potenza, tra cui convertitori di potenza, inverter e chopper. Gli IGBT sono ampiamente utilizzati in sistemi e apparecchiature alimentati dalla rete con prestazioni di commutazione medie o elevate, da pochi kW a MW. I moduli di potenza IGBT sono componenti essenziali nell’elettronica di potenza contemporanea.

IGBT7 di nuova generazione

La settima generazione di moduli di potenza IGBT è ora disponibile in sette package per le diverse parti. Questi dispositivi presentano VCE (sat) e VF inferiori, capacità di sovraccarico a TJ di 175°C, capacità di corrente superiore del 50%, controllabilità migliorata di dv/dt, morbidezza FWD migliorata e guida più semplice rispetto alle generazioni precedenti. Queste caratteristiche offrono una proposta di valore differenziata in termini di elevata densità di potenza, durata, costi di sistema ridotti, maggiore efficienza, facilità d’uso e tempi di commercializzazione più rapidi

Portfolio  IGBT7

I moduli di potenza IGBT7 sono disponibili nei package standard da 62 mm per configurazioni a fase o a semiponte nel contenitore D3 e per configurazioni a interruttore singolo nei contenitori D4. Microchip offre contenitori a bassa induttanza/basso profilo da 62 mm, come SP6C, SP6P e SP6LI, che presentano un’altezza ridotta e una minore induttanza del contenitore e consentono un’elevata densità di potenza con un’alta affidabilità.

I livelli di potenza inferiori possono essere serviti con package più piccoli come SP1F e SP3F, che sono anche package a basso profilo disponibili in varie configurazioni. I valori nominali si estendono fino a 900A con 1200V e 1700V.

Tensione VCE (sat) on-state e Vf  inferiore con FWD migliorato

Con una tensione in stato attivo inferiore del 15-20%, si ottiene una significativa riduzione delle perdite fino alle applicazioni a frequenza di commutazione media, mentre le perdite di conduzione al limite dv/dt dato diminuiscono e si ottiene una riduzione delle perdite dei diodi antiparalleli.

Le perdite di conduzione degli IGBT sono direttamente proporzionali al VCE (sat) della tecnologia IGBT. La riduzione del VCE (sat) riduce significativamente le perdite di conduzione e, di conseguenza, migliora l’efficienza del convertitore. 

Tabella 1. Esempio di comparzione tra IGBT4 e  specs VCE (sat) IGBT7

La capacità di sovraccarico a TVJ (op) è 175°C

Temperatura massima di giunzione di 175 °C rispetto ai 150 °C (IGBT4), fondamentale per i motori che funzionano in condizioni di sovraccarico ripetitivo e di breve durata. I moduli di potenza IGBT7 sono progettati per applicazioni impegnative in quanto possono sopportare una temperatura di giunzione di 175°C in condizioni di sovraccarico, rispetto ai 150 °C dell’IGBT4. Questo miglioramento di 25 °C non solo offre enormi vantaggi in termini di affidabilità e durata dell’inverter di potenza dell’azionamento, ma può anche tradursi in un risparmio sui costi grazie all’elevato rapporto prestazioni/costo dell’IGBT7 rispetto a qualsiasi altra tecnologia.

I driver per motori con inverter sono utilizzati in molteplici applicazioni, quali veicoli commerciali e agricoli (CAV), impianti industriali e ferrovie, dove è importante resistere a sovraccarichi di breve durata.

Lo stesso vale per applicazioni quali gli UPS, dove i sovraccarichi di breve durata sono fondamentali per le specifiche di alimentazione.

Controllabilità migliorata di dv/dt

Gli inverter utilizzati per azionare il motore utilizzano segnali PWM (Pulse Width Modulation) che non producono forme d’onda di tensione di uscita sinusoidale. Questo tempo di salita dell’impulso più elevato degli interruttori dovuto alla frequenza di commutazione si traduce in un elevato dv/dt, che è ulteriormente esacerbato dai lunghi cavi utilizzati nell’applicazione di azionamento del motore dall’inverter al motore, con conseguenti tensioni di picco più elevate proprio ai terminali del motore.

Cavi motore più lunghi provocano anche un maggiore superamento della tensione con valori di picco fino a cinque volte la tensione di funzionamento del sistema (>2000V per i sistemi a 415V). I picchi di alta tensione possono portare alla rottura dell’isolamento, con conseguenti cortocircuiti da fase a fase o da spira a spira, con conseguenti interruzioni di sovracorrente da parte del sensore di azionamento.

Questo è il motivo per cui i produttori di motori raccomandano vivamente di non superare il dv/dt di 5 kV/µs al terminale dell’inverter nel caso peggiore per motori trifase tipici da 380/415/440 VAC.
È importante ottimizzare il gradiente di tensione dv/dt in base ai requisiti di isolamento del motore, progettando con cura l’azionamento industriale per uso generico.

Per ottenere questa ottimizzazione, IGBT7 dimostra il massimo livello di perfezione nel controllo della capacità dell’inverter di modificare il dv/dt attraverso la regolazione del resistore di gate (Rg).

Gate Driving semplice e senza problemi

CGE (Gate Emitter Capacitance) e CGC (Gate Collector capacitance) sono bilanciati per dare all’IGBT7 il pieno controllo sul dv/dt e per ottimizzare la forma d’onda di commutazione e CGE è progettato per evitare effetti di accensione parassiti, quindi è possibile l’alimentazione a tensione zero per lo spegnimento (alimentazione unipolare del gate driver).

Maggiore capacità di corrente

Il chip IGBT7 ha intrinsecamente una maggiore capacità di corrente rispetto all’IGBT4 della generazione precedente. Ciò si traduce in una maggiore potenza di uscita per le impronte fornite, con conseguente salto della dimensione del frame, il che implica che è possibile utilizzare una dimensione del frame inferiore al posto di quelle più grandi. Ciò aumenta anche la densità di potenza complessiva poiché è possibile comprimere più potenza in una determinata area, evitare il parallelismo del numero di interruttori, ridurre la complessità e migliorare l’affidabilità e la durata.

La maggiore densità di potenza riduce i costi della distinta base (BoM) del sistema di alimentazione e offre tempi di commercializzazione più rapidi.

Minore Induttanza e package a minore profilo

I package a bassa induttanza parassita di Microchip riducono il superamento della tensione migliorando la durata e l’affidabilità. Il profilo più basso consente di racchiudere più potenza in meno volume, migliorando la densità di potenza se utilizzato con la tecnologia IGBT7.

Tabella 2.

Le caratteristiche dell’IGBT7 e i vantaggi per l’utente finale rendono questi moduli di potenza versatili per molteplici applicazioni e megatrend, dalle applicazioni a bassa frequenza di commutazione a quelle a media frequenza. La facilità d’uso senza complessità nel meccanismo di azionamento del gate semplifica la progettazione e rende superflue le risorse per la progettazione di nuovi driver. Le molteplici topologie possono essere facilmente utilizzate come elementi costitutivi per convertitori di molteplici applicazioni, fornendo flessibilità di progettazione e tempi di commercializzazione più rapidi.

Bibliografia:

https://www.fluke.com/en-us/learn/blog/power-quality/cable-length-vfd-motors

https://www.nema.org/docs/default-source/standards-document-library/mg-1-part-31-watermark.pdf?sfvrsn=649fb42f_1

Application Manual Power Semiconductors (Semikron)
TRENCHSTOP™ 1200 V IGBT7 T7 Application Note (Infineon) (AN2018-14)
Amit’s Tech Corner, Microchip Aviation and Defense Newsletter Edition 23 Dec 2024