Правительства по всему миру ввели на законодательном уровне требования по повышению эффективности использования электроэнергии в промышленных применениях, таких как насосы, вентиляторы и различные электроприводы. 

Для систем с мощностью менее 15 кВт разработчики имеют возможность использовать дискретные пакеты модулей. Обычно эти дискретные решения являются более дешевыми чем модульные и применяемую технологию определяет разработчик. В настоящее время предложение дискретных IGBT с напряжением 1200В дискретная технология обычно направлено на высокие частоты переключений, таких как ИБП и солнечная энергетика. Поколение 7 от International Rectifier (IR) оптимизировано для этих относительно высокоскоростных применений.

По мере того, как электроприводы все более и более становятся регулируемым, потребность в IGBT с напряжением 1200 В, оптимизированных для частот переключения около 10 кГц увеличивается. Однако существует нехватка IGBT в дискретном исполнении, оптимизированных для пониженной частоты. 8-е поколение IGBT более нацелено на тяжелые промышленные задачи, где надежность и стойкость к внешним воздействиям являются ключевыми требованиями. Как передовая технология, 8-е поколение уже удостоилось нескольких престижных наград за высокую производительность и продуманность решения.

При низких частотах переключения доля потерь проводимости в IGBT преобладает в потерях мощности, поскольку потери от переключений пропорциональных частоте переключений. При очень низком V_CE(ON), 8-е поколение IGBT дает возможность существенно снизить полные потери в задачах регулируемого электропривода.

Применения для 8-го поколения IGBT

Трехфазный инвертор наиболее широко используемая топология в промышленных электроприводах.

8-е поколение (Gen8) IGBT обеспечивает до 60А (@100ºС) в ТО-247 и до 85А в Super TO-247. Такие характеристики достигнуты благодаря более высокой плотности чем предыдущее поколение. В задачах управления электродвигателями частоты переключения обычно находятся в диапазоне от 2 до 20 кГц. Более высокая частота переключения позволяет снизить пульсации тока и звуковой шум, однако за это приходится расплачиваться более высокими потерями, которые подразумевают более высокую стоимость, поскольку требуются транзисторы с большим номиналом и требуется более эффективное охлаждение и как следствие меньший К.П.Д. В промышленных задачах эти закономерности обычно сдвигают решения в область низких частот переключения, снижая потери и стоимость. 8-е поколение IGBT наиболее хорошо подходит для этих условий благодаря очень низкому V_CE(ON), достигнутому в этом поколении.

Другим важным требованием в промышленных регулируемых электроприводах является способность прибора выдерживать короткое замыкание в течение времени достаточного для того, чтобы цепи защиты среагировали и выключили систему. Из-за широкого диапазона рабочих условий, разработчики обычно используют большое окно в защите от коротких замыканий и это увеличивает требования к IGBT.

В связи с этим, 8-е поколение так же разработано устойчивым к короткому замыканию в течение 10 мкс и возможностью безопасно работать при прямоугольном обратном смещении, как это требуется в задачах регулируемого электропривода.

Номинальные данные IGBT транзисторов Gen8 приведены в следующей таблице:

Прямое падение напряжения

Одним из требований в задачах регулируемого электропривода является как можно меньшее падение напряжения на IGBT в фазе проводимости. Потери проводимости преобладают в задачах регулируемого электропривода при частотах переключения менее 10 кГц.

Таблица 1 показывает сравнение VCE(ON) для IGBT 40 А 1200 В в корпусе ТО-247 (ТО-264 для Конкурента В), при использовании IGBT 8-го поколения от IR и IGBT от трех основных конкурентов на рынке. Легко увидеть, что 8-е поколение IGBT имеет меньшее падение напряжения.

Важным режимом является работа системы с низкой нагрузкой, когда IGBT работают с нагрузкой, существенно меньшей номинального тока. В этой ситуации, 8-е поколение IGBT так же имеет самое низкое значение V_CE(ON) по сравнению с другими конкурентами (см. рисунок 2).

Характеристики переключения

При сравнении характеристик переключения различных приборов важно делать это в одинаковых условиях. В частности необходимо изменять сопротивление затвора в соответствии с характеристиками прибора. В этом анализе значение резистора выбирается таким образом, чтобы достичь скорости 5 кВ/мкс, как это требуется в большинстве современных электроприводов. Поэтому характеристики переключения исследовались в при напряжении на звене постоянного тока V_DC = 600 В при T_J = 150 ºC и внешнем R_g = 10 Ом для 8-го поколения IGBT, R_g = 40 Ом для Конкурента А, R_g = 40 Ом для конкурента B и R_g = 50 Ом для конкурента С.

При выключении очень важно для IGBT иметь низкий выброс напряжения для того, чтобы не происходило выхода IGBT из строя. В системах промышленного электропривода разработчики компонуют большие конденсаторы, шины, силовые и измерительные элементы и это приводит к возникновению паразитных индуктивностей, которые генерируют к нежелательных перенапряжениям.

Для того, чтобы минимизировать выбросы напряжения, которые возникают из-за паразитных индуктивностей в системе, IGBT должны иметь низкое значение di/dt и мягкое выключение.

Рисунок 3 показывает характеристики выключения при I_C = 40 A.

Из осциллограмм видно, что IGBT 8-го поколения имеет меньший выброс напряжения чем Конкурент А. Рассматривая переходный процесс включения, 8-е поколение IGBT может обеспечит более высокое значение di/dt чем конкурирующие IGBT и таким образом обеспечить намного более быстрое восстановление обратного диода, снижая потери включения. Однако более высокое значение di/dt сопровождается более высоким пиковым обратным током и это необходимо учитывать при разработке электропривода. 

Рисунок 4 показывает потери переключения для скорости 5 кВ/мкс

Благодаря быстрому включению, поколение 9 показывает самый низкий уровень EON по сравнению с основными конкурентами. Это так же подтверждает улучшенные характеристики переключения с очень мягким выключением для снижения пикового напряжения и быстрым включением для снижения потерь при переключении.

Характеристики короткого замыкания

Другим важным требование для IGBT используемым в промышленном электроприводе является способность выдерживать короткое замыкание. 8-е поколение разработано для того, чтобы выдерживать короткое замыкание длительностью не менее 10 мкс при V_CE = 600 В и начальной температуре 150 ºС. Это достигается ограничением тока насыщения в режиме короткого замыкания.

Параллельная работа транзисторов

Включение IGBT параллельно может быть эффективно использовано для увеличения мощности регулируемого электропривода. Поколение 8 было специально оптимизировано для работы в таких условиях. IGBT 8-го поколения имеют положительный температурный коэффициент V_CE(ON), который стабилен в рабочем диапазоне температур. Более того, особенное внимание уделялось окну V_CE(th), которое достаточно узко: 1,5 В (от 5,0 до 6,5 В). Это очень важно для балансирования токов во время переходных процессов переключения без необходимости слишком большого снижения скорости переключения приборов.

Трехфазные регулируемые электроприводы

Для изучения потерь в системе при частоте переключения 6 кГц на основании предыдущих измерений был смоделирован трехфазный регулируемый электропривод, состоящий из 6 IGBT 1200 В 40 А.

Благодаря очень низкому VCE(ON) и низким потерям при включении, поколение 9 показывает не только самые низкие значения потерь энергии в задачах регулируемого электропривода, но и самую низкую рабочую температуру переключения.

Заключение

Пример применения IGBT 1200 В 40А в корпусе ТО-247 показывает, что 8-е последнее поколение IGBT от IR обеспечивает очень низкие общие потери в приложениях регулируемого электропривода при работе в диапазоне от 6 до 16 кГц, а так же демонстрирует низкое падение напряжения, мягкие характеристики переключения и высокую стойкость к короткому замыканию, что превосходно соответствует требованиям задач промышленных электроприводов.

Поколение 8 IGBT от IR является наилучшим решением в своем классе, созданным для задач промышленного регулируемого электропривода, в которых требуется снижение общего потребления электроэнергии. Поскольку потребление электроэнергии увеличивается, необходимо обеспечить эффективного ее использование и добиться снижения выбросов углекислого газа путем увеличения эффективности систем будущих регулируемых электроприводов.