КАТАЛОГ ЭЛЕКТРОННЫХ КОМПОНЕНТОВ
Паccивные элементы
Варисторы
Конденсаторы
Конденсаторы SMD
Конденсаторы керамические SMD
Конденсаторы электролитические SMD
Конденсаторы танталовые SMD
Конденсаторы выводные
Электролитические конденсаторы купить в Киеве, Украина
Конденсаторы пленочные
Конденсаторы высоковольтные
Конденсаторы танталовые
Ионисторы
Индуктивности и дроссели
Индуктивности SMD
Индуктивности выводные (дросcели)
Кварц. резонаторы
Кварцевые резонаторы выводные
Кварцевые резонаторы SMD
Резисторы
Резисторы SMD
резисторы 0603
резисторы 0805
резисторы 1206
резисторы 1210
резисторы 2010
резисторы 2512
резисторы SMD
Резисторы выводные
Резисторы выводные аксиальные
Резисторы подстроечные
Резисторы мощные >20Вт
Резисторы керамические
Резисторы разные
Диоди и стабилитроны
Выпрямительные диоды купить Киев
Диоды защитные
Диодные модули
Стабилитроны
Транзисторы
Транзисторы
Транзисторы биполярные
Транзисторы полевые
Транзисторы IGBT
Транзисторы СВЧ
Тиристоры
Оптоэлектроника
Оптические приборы
Оптопары
Оптические трансиверы
Светодиоды
Светодиоды выводные
Светодиоды SMD
Светодиодные ленты
Светодиодные блоки
Светодиодные модули
Светодиодные кластеры
Светодиоды ИК
Фотодиоды
Фотоприёмники
Индикаторы и дисплеи
Индикаторы
Дисплеи LCD
Дисплеи TFT
Панели оператора
Микросхемы
Микросхемы
Микросхемы акселерометры
Микросхемы АЦП
Микросхемы ЦАП
Микросхемы измерительные
Микросхемы генераторы-синтезаторы частоты
Микросхемы генераторы частоты
Микросхемы драйверы
Микросхемы ИОН
Микросхемы зарядные для аккумуляторов
Микросхемы интерфейса
Микросхемы интегральные
Микросхемы изоляторы сигналов
Микросхемы изоляторы цифрового сигнала
Микросхемы ключи
Микросхемы интеллектуальные ключи
Коммутаторы
Микросхемы коммутаторы аналоговых сигналов
Микросхемы коммутаторы
Микроконтроллеры купить Киев
Микросхемы контроллеры
Микроконтроллеры разные
Микросхемы микроконтроллеры
Микросхемы микроконтроллеры разные
Операционные усилители
Компараторы
Микросхемы стабилизаторы
Микросхемы напряжения
Микросхемы регуляторы линейные
Линейные регуляторы
Микросхемы регуляторы разные
Микросхемы импульса
Микросхемы логики разные
Микросхемы логические
Микросхемы логики
Микросхемы логики еще
Микросхемы логические программируемые
Микросхемы памяти
Микросхемы усилители
Микросхемы усилительные
Микросхемы приёмо-передатчики
Микросхемы приёмо-передатчики разные
Микросхемы DC интеллектуальные ключи
Микросхемы датчики температуры
Микросхемы AD
Микросхемы ПЛИС та ПАИС
Микросхемы времени
Модули ЦПУ
Микропроцессоры
Преобразователи
Преобразователи модульные
Преобразователи интегральные
Преобразователи AC/DC модульные
Преобразователи DC/DC модульные
Преобразователи частотные
Микросхемы преобразователи
Преобразователи разные
Элементы питания
Аккумуляторы
Батарейки
Предохранители
Предохранители
Держатели предохранителя
Предохранители самовостанавливающиеся
Звукоизлучатели
Силовые модули и блоки
Силовие модули
Силовые блоки разные
Силовые выключатели
Приёмо-передатчики
Реле, кнопки, переключатели
Реле
Реле твердотельные
Реле времени
Кнопки
Разъёмы, клемники, соединители
Разъёмы
Разъёмы другие
Контакторы
Клеммники
Соединители
Коннекторы SIM
Корпусы, вентиляторы, радиаторы
Корпусы
Вентиляторы
Радиаторы
Трансформаторы
Антенны
Антенны
Антенные переходники
Датчики, энкодеры, измерители
Энкодеры
Датчики влажности
Датчики индуктивные
Датчики положения
Датчики положения оптические
Датчики температуры
Датчики давления
Датчики тока
Датчики разные
Измерители-регуляторы температуры и физ.величин
Расходомеры
Средства для разработки
Средства для разработчика
Наборы (киты)
Программаторы
Ферриты
Разное

Оптимизация на субмикронном уровне: новое поколение IGBT на напряжение 1200 В с микрошаблонными канавками

19.03.2020

infineonff900r12me7_b11__800x340Технология микрошаблонных канавок MPT-IGBT оптимизирована для применения в электроприводе, и на ней основано новое поколение транзисторов IGBT на 1200 В производства Infineon. Это позволило повысить производительность за счет снижения VCE,sat до примерно 600 мВ и увеличить плавность выключения.

Общая тенденция электрификации, сопровождаемая необходимостью минимизации потребляемой энергии, требует более высокого уровня энергетической эффективности в приложениях силовой электроники. Infineon Technologies представляет новую технологическую концепцию для следующего поколения IGBT на 1200 В со значительно уменьшенными суммарными потерями энергии за счет применения оптимизированных ячеек с микрошаблонными канавками (MPT) и субмикронными мезоструктурами. В них был оптимизирован ряд важных параметров, относящихся к инверторам управления электрическими машинами, таких как плавность отключения, контролируемость dv/dt, устойчивость к токам короткого замыкания, что обеспечивает соответствие решений на их основе требованиям заказчика.

Огромным достижением в направлении увеличения плотности тока биполярного транзистора с изолированным затвором (IGBT) был переход в конфигурации от плоскостного затвора к затвору с канавкой. В концепции затвора с канавкой изначально использовался квадратный профиль канавки (вид сверху изображен на рисунке 1а), позволяющий формировать вертикальное направление для каналов электронов, что приводило к увеличению ширины канала и улучшению общей производительности.

ris_1-4

 

 

 

 

 

Рис. 1. Схематическое изображение ячейки с квадратной канавкой (а) и с микрошаблонной канавкой (MPT) (б); вид сверху

Дальнейшее увеличение ширины канала IGBT может быть достигнуто за счет использования узких параллельных канавок, разделенных субмикронными мезоструктурами (вид сверху представлен на рисунке 1б). Этот так называемый IGBT c микрошаблонными канавками, или MPT-IGBT (рисунок 2а) имеет огромное преимущество для приложений, не требующих способности выдерживать короткие замыкания, так как увеличение ширины канала напрямую приводит к снижению падения напряжения при переходе во включенное состояние.

Для приложений, способных выдерживать кратковременное короткое замыкание (обычно минимум 6…8 мкс для управляющих приложений), MPT-IGBT также показывает существенное улучшение производительности. Однако в этом случае необходима регулировка ширины канала с микрошаблонными канавками (MPT)-IGBT.

Мы представляем новую технологическую концепцию для следующего поколения IGBT на 1200 В с использованием MPT, оптимизированную для управляющих приложений. В дополнение к оптимизации ширины канала дизайн ячейки адаптирован к наилучшему соотношению между потерями на включение и наклоном напряжения (dv/dt) при низких токах. Последний параметр из-за ограничений по сроку службы обмоток мотора для инверторов, управляющих электрическими машинами, обычно лежит в области ниже 5 кВ/мкс. Кроме того, оптимизирована вертикальная структура и использована передовая технология ультратонких полупроводниковых пластин толщиной до 100 мкм.

Общая концепция устройства 

Концепция ячейки

В дополнение к большей ширине канала использование ячеек с MPT-структурой с субмикронными мезоструктурами (рисунок 2а) позволяет достичь значительно большего удержания носителей на передней стороне микросхемы во время включения устройства по сравнению с обычными квадратными ячейками (рисунок 2б), что приводит к значительно меньшей потере проводимости. Кроме того, вертикальный профиль заряда носителей, реализованный с помощью ячеек MPT, позволяет во время выключения устройства снять большую часть заряда носителя, когда падение напряжения на устройстве еще незначительное. Это приводит к улучшенному соотношению между VCE,sat и Eoff для ячеек с MPT-структурой.

ris_2-4

Рис. 2. Ячейка IGBT нового поколения на 1200 В с микрошаблонными канавками и параллельными субмикронными мезами (а); сравнение плотности носителей для обычных IGBT и IGBT с микрошаблонными канавками (б)

В целом, MPT-IGBT обладает существенным запасом параметризации для подбора ширины канала, емкости и удержания носителей, необходимых для конкретного приложения. Это подчеркивает огромное преимущество точной настройки производительности устройства для современных приложений. Несколько возможных строительных блоков для оптимизации структуры ячейки показано на рисунке 3, включая активный затвор, канавку источника и макетный затвор.

ris_3-3 (1)

 

 

 

 

Рис. 3. Возможные строительные блоки для оптимизации структуры ячейки MPT-IGBT

У активных затворов есть контакты и регионы n-источников, прилегающие к канавкам затворов, тогда как у макетных затворов нет электрических контактов с проводящими каналами, и они могут только пассивно влиять на характеристики устройства посредством балансировки емкостей «затвор-сток» и «затвор-исток».

Оптимально размещая эти строительные блоки, можно регулировать ширину канала для достижения необходимого времени устойчивости к токам короткого замыкания. Кроме того, можно оптимизировать соотношение между наклоном напряжения (dv/dt) и потерями на переключение. Адаптация доступной площади n-источника на поверхности микросхемы является дополнительной степенью свободы для регулировки тока насыщения.

Вертикальный дизайн

Общеизвестно, что важным параметром устройства, влияющим на соотношение между потерями на переключение и диэлектрическими потерями, является толщина микросхемы. Уменьшение толщины микросхемы приводит к уменьшению как потерь на переключение, так и диэлектрических потерь. Для достижения достаточного пробивного напряжения при меньшей толщине микросхемы используется базовый материал с меньшим содержанием примесей в комбинации с оптимизированным дизайном буферного слоя. При использовании базового материала с меньшим содержанием примесей получается более плавное распределение электрического поля и более высокое пробивное напряжение (рисунок 4). (На схеме рисунка 4 синяя сплошная линия  соответствует материалам с высоким содержанием примесей, синяя пунктирная линия – материалам с низким содержанием примесей, а красными линиями показаны примеси на дальней стороне.) Для обеспечения плавного отключения устройства необходимо тщательно оптимизировать дизайн буферного слоя.

ris_4-3

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 4. Схема распределения электрического поля

Результаты

Производительность устройства

Сравнение соотношений между VCE,sat и Eoff для устройств с MPT-структурой ячеек и обычных IGBT на 1200 В (рисунок 5) показывает значительное снижение VCE,sat на величину до ~600 мВ при постоянном Eoff. Как уже было замечено, вертикальный профиль заряда носителей, реализованный в ячейках с MPT-структурой, приводит к общему улучшению соотношения между VCE,sat и Eoff.

ris_5-1

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 5. Выходные характеристики нового поколения IGBT на 1200 В по сравнению с обычными IGBT

У инверторов, управляющих электрическими машинами, где наклон напряжения (dv/dt) обычно ограничен величинами менее 5 кВ/мкс, потери на включение также должны быть оптимизированы в пределе малых наклонов напряжения. Обычно наклоны напряжения максимальны при низких токах (например, 1/10 от номинального значения) и низких температурах (например, 25ºС), тогда как потери мощности преобладают при высоких значениях тока и температуры. Потери на включение ячеек MPT были снижены путем оптимального распределения потенциалов различных канавок с помощью строительных блоков, показанных на рисунке 3. Для оптимизированной ячейки MPT соотношение между Eon и наклоном напряжения улучшено по сравнению с предыдущим поколением IGBT (рисунок 6). При фиксированном наклоне напряжения, например, 5 кВ/мкс, было достигнуто снижение Eon/A на ~10%.

ris_6-1

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 6. Сравнение Еon (Iном, T = 175ºС) c dv/dt (1/10 Iном, T = 25ºС) для нового поколения IGBT на 1200 В и обычных IGBT

Плавность выключения и надежность устройства

В дополнение к улучшенным характеристикам, перечисленным выше, MPT-IGBT способен поддерживать плавное выключение и устойчив к коротким замыканиям. На рисунке 7 показаны диаграммы сигнала выключения для новых MPT-IGBT по сравнению с обычными IGBT для разных линейных напряжений. Для показанных здесь измерений была добавлена внешняя паразитная индуктивность 500 нГн, приводящая к генерации колебаний. Выключение MPT-IGBT происходит более плавно, несмотря на меньшие потери, что позволяет использовать эти устройства в приложениях с тяжелыми режимами переключения.

ris_7n

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 7. Диаграммы сигнала выключения для обычных IGBT на 1200 В (а) и нового поколения IGBT на 1200 В (б) для различных линейных напряжений (черный: напряжение, красный: ток)

Также новое поколение IGBT на 1200 В достаточно устойчиво к коротким замыканиям, как показано на рисунке 8. Было достигнуто термическое время удержания короткого замыкания более 8 мкс при 150ºС, данное значение вполне приемлемо для стандартных приложений управления.

ris_8-1

 

 

 

 

 

 

Рис. 8. Термическое короткое замыкание для нового поколения IGBT на 1200 В (красный – ток, черный – напряжение)

Влияние примесей базового материала и толщины устройства на пробойное напряжение показано на рисунке 9. Для более низких уровней примесей базового материала (зеленый и розовый) были получены более высокие значения запирающего напряжения. Например, для уменьшенной толщины кремния (90%) и более низкого уровня примесей базового материала (60%, розовая кривая), может быть получено такое же пробойное напряжение, как и для стандартной толщины кремния и размера примесей (100%, синяя кривая).

ris_9-1

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 9. Кумулятивный график частоты распределения пробойного напряжения для разной толщины кремния и размера примесей базового материала

Демонстрация производительности

Для демонстрации значительного улучшения VCE,sat устройств MPT-IGBT (сравнение на рисунке 5) мы собрали специальный тестовый модуль, где были последовательно соединены обычные IGBT и MPT-IGBT (рисунок 10). Такая сборка гарантирует, что одинаковый ток протекает через обычные и новые устройства, что приводит к их резистивному нагреву в результате рабочего падения напряжения на переходе. Меньший Джоулев нагрев MPT-IGBT обусловлен более низкой величиной VCE,sat, что в свою очередь приводит к более низкому локальному нагреву. Для визуализации внутренние части сборки и IGBT были покрашены черной краской, и их состояние отслеживалось с помощью тепловизора. Результирующий рисунок показывает, что температура устройства, обусловленная диэлектрическими потерями, для новых MPT-IGBT примерно на 20ºС ниже по сравнению с обычными IGBT при одинаковой силе тока (рисунок 11).

ris_10-1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 10. Тестовый модуль для демонстрации низких диэлектрических потерь путем измерения тепловизором

ris_11n

Рис. 11. Результат измерения тепловизора, демонстрирующий малые диэлектрические потери MPT-IGBT

Заключение

В новой технологической концепции для следующего поколения IGBT на 1200 В используется технология MPT, оптимизированная для применения в электроприводе. В дополнение к оптимизации ширины канала, дизайн ячейки был адаптирован для лучшего соотношения между потерями на включение и наклоном напряжения (dv/dt) при низких токах. Было достигнуто улучшение VCE,sat на 600 мВ при одинаковом значении Eoff. Кроме того, было достигнуто снижение примерно на 10% величины Eon/A при фиксированном значении наклона напряжения 5 кВ/мкс. В дополнение к вышеперечисленным улучшениям производительности, MPT-IGBT способен сохранять плавность выключения и устойчивость к коротким замыканиям на уровне устройств предыдущих поколений. Для демонстрации значительных улучшений VCE,sat устройств MPT-IGBT был использован тепловизор.

 

 

 

© 2000-2020 ООО "Ричел". All rights reserved.

.