Термин:

Компоненты и технологии

Новые быстровосстанавливающиеся диоды с мягкой характеристикой восстановления и области их применения

При использовании прижимных IGBT в качестве переключающих элементов в преобразователях частоты, инверторах и импульсных регуляторах возникает необходимость в установке обратных диодов, через которые протекает ток индуктивной нагрузки (двигателя, трансформатора, индукционного нагревателя) после запирания IGBT. Для снижения коммутационных потерь желательно, чтобы IGBT включался за минимальное время (т.е. с высокими значениями di/dt), что влечет за собой соответствующие требования к применяемым диодам. Транзисторы IGBT средней мощности в прижимном корпусе выдерживают работу с di/dt до 10000 А/мкс без повреждения прибора. Однако типичный высоковольтный диод с быстрым восстановлением рассчитан на работу со скоростью изменения тока в режиме обратного восстановления не более 500 А/мкс. Для максимального использования высоких динамических свойств IGBT, используемые совместно с ними обратные диоды должны удовлетворять следующим требованиям:

• допускать очень высокую скорость изменения тока в режиме обратного восстановления (di/dt >2500 А/мкс);
• иметь низкий пиковый ток обратного восстановления I_rm, поскольку это влияет на потери при включении IGBT;
• иметь мягкую характеристику обратного восстановления, коэффициент жесткости которой S=t_b/t_a должен составлять не менее 1;
• иметь усилие сжатия, соответствующее усилию сжатия используемого IGBT или GCT;
• иметь малое падение напряжения в открытом состоянии и малый ток утечки в закрытом состоянии;
• быть устойчивым к лавинному пробою.

Во время работ по созданию диода с такими свойствами было проведено множество экспериментов. Для них были выбраны три прибора с номинальным напряжением 4.5 кВ и тремя различными способами контроля времени жизни носителей:

• тип А – диффузия золота совместно с имплантацией атомов гелия;
• тип В - диффузия платины совместно с имплантацией атомов гелия;
• тип С – облучение электронами совместно с имплантацией атомов гелия.

Результаты многочисленных экспериментов показали [1], что цель работы была достигнута.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

Была проведена серия экспериментов по определению статических и динамических свойств образцов новых диодов 4.5 кВ/50 мм. Прибор типа В показал наименьшие значения обратного тока и прямого падения напряжения. Тип А напротив показал наибольшие величины обоих параметров, а тип С занял промежуточное положение между А и В. Образцы 2.5 кВ/50 мм с теми же способами контроля времени жизни носителей показали аналогичные характеристики.

Первоначальное изучение динамических свойств проводилось с использованием измерительной цепи, схема которой показана на рис.1. Прямой ток в ней создается контуром C_F, T_F, L_F, а обратный - контуром C_R, T_R, L_R. Скорость изменения обратного тока определяется величиной переменной индуктивности L_R и напряжением V_R согласно формуле di/dt = V_R/L_R.

Рис.1. Схема для изучения процесса обратного восстановления

Сравнение между тремя диодами показало, что тип В имеет наилучшее сочетание статических и динамических свойств, а также способен работать при более высоких температурах. Поэтому для производства был выбран тип В, несмотря на то, что тип А также имеет приемлемые характеристики в случаях, когда рабочая температура не является основной проблемой. Примеры осциллограмм процесса обратного восстановления для типов А и В показаны на рис.2 и 3.

Рис.2. Осциллограммы процесса обратного восстановления диода типа А 4.5 кВ/50 мм

Рис.3. Осциллограммы процесса обратного восстановления диода типа В 4.5 кВ/66 мм

По сравнению с обычными быстровосстанавливающимися диодами, пиковая мощность потерь на новом диоде оказывается значительно меньше, благодаря низким значениям I_rm и очень мягкой характеристике обратного восстановления, за счет которой снизилось пиковое обратное напряжение V_rm. Результаты экспериментов показывают, что максимальная мгновенная мощность примерно пропорциональна размеру элемента. Указанная мощность снижается с ростом исходной температуры кристалла. Для кристалла диаметром 50 мм максимальная пиковая мощность составляет около 3 МВт при 150 °С. На практике, при использовании диода в качестве обратного диода в общей стойке с IGBT, на величину di/dt во время процесса обратного восстановления можно влиять путем изменения выходного сопротивления драйвера при включении транзистора (т.е. скорости заряда емкости затвора. – прим. перев.). Как следствие, пиковое напряжение на диоде может быть дополнительно снижено за счет падения напряжения на IGBT в процессе его отпирания.

После получения обнадеживающих результатов на образцах 4.5 кВ/50 мм, были проведены эксперименты на новых образцах, рассчитанных на напряжение 1.7 и 2.5 кВ с различными размерами кристалла. На данный момент достигнутые значения максимальной скорости изменения обратного тока (di/dt) составляют 4700 и 7000 А/мкс для образцов типа В типоразмеров 2.5 кВ/50 мм и 1.7 кВ/50 мм соответственно.

ПРИМЕНЕНИЯ ДИОДОВ

Новые сверхбыстрые диоды с уникальными характеристиками обратного восстановления могут использоваться во многих областях электротехники. Одним из основных применений является их использование в качестве обратных диодов в одно- и трехфазных инверторах на базе прижимных IGBT. На рис.4 показано использование новых приборов в качестве обратных диодов в трехфазном инверторе на базе прижимных IGBT, предназначенном для питания индукционного нагревателя, работы в составе регулируемого электропривода или источника питания (с нагрузкой на первичную обмотку трансформатора). Повышение значений di/dt при обратном восстановлении и малый ток I_rm позволяют снизить коммутационные потери как в самих диодах, так и в IGBT. Благодаря этому становится возможным повысить рабочую частоту инвертора. Это преимущество особенно ценно для инверторов, работающих с ШИМ, поскольку в них коммутация тока с транзистора (или GTO-тиристора) на обратный диод происходит с частотой, значительно превышающей выходную.

Рис.4. Применение новых диодов в качестве обратных диодов в трехфазном инверторе на базе прижимных IGBT

На рис. 5 и 6 показана схема и внешний вид регулятора тока («чоппера») на базе IGBT, изготовленного для железнодорожной компании Spoornet, ЮАР. Для работы на высоком напряжении 5 диодов типа В 1500А/2.5кВ/50мм (Е1500NC250) и 4 прижимных IGBT 1500А/2.5 кВ (Т1500ТА25Е) соединены последовательно. Вся сборка помещается в бак с трансформаторным маслом.

Рис.5. Применение новых диодов в импульсном регуляторе («чоппере») совместно с прижимными IGBT

Рис.6. Конструкция силовой части импульсного регулятора с новыми диодами и прижимными IGBT, соединенными последовательно

Еще один пример использования нового диода - это работа в снабберной цепи и в качестве обратного диода в инверторе Мак-Мюррея (рис.7). Здесь D_p и D_n – основные обратные диоды, расположенные параллельно тиристорам GTO. Дополнительные диоды D_sp и D_sn подключаются к выводам разрядного резистора. Две снабберных индуктивности величиной L_s включены последовательно с коэффициентом взаимоиндукции k, вследствие чего суммарная индуктивность имеет величину L_s=2L_s(1+k). Указанные индуктивности ограничивает значения di/dt для верхнего и нижнего GTO на уровне E_d/L_s. В частности di/dt ограничивается на этом уровне при разряде параллельных снабберных конденсаторов С_sp и C_sn через диоды D_sp и D_sn. Как следствие величина сопротивления R_s может быть небольшой, поскольку она определяется необходимостью ограничения перенапряжения I_offR_s, вызываемого током выключения I_off. Так как величина R_s невелика, С_sp и C_sn совместно участвуют в ограничении dU/dt при выключении GTО, благодаря чему возможно почти вдвое снизить емкость конденсаторов с пропорциональным снижением потерь.

Рис.7. Схема инвертора Мак-Муррея

В данной схеме скорость коммутационного процесса ограничивается L_s, что делает более щадящим как режим включения GTO, так и режим запирания обратных диодов. В снабберных диодах, однако, имеет место быстрый переходный процесс, скорость которого ограничивается лишь паразитной индуктивностью снабберного контура. При малых токах это может приводить к резкому запиранию диода, что может вызвать выход из строя GTO из-за высоких значений dU/dt. В данном случае мягкая характеристика обратного восстановления новых диодов обеспечивает им явное преимущество над традиционными диодами.

Рис.8. Экспериментальная схема для исследования возможности использования нового диода

Для демонстрации возможности применения и доказательства преимуществ новых диодов совместно с IGBT был проведен ряд экспериментов на схеме, показанной на рис.8. Питание схемы производилось от источника постоянного тока напряжением 3.3 кВ. Индуктивная нагрузка и индуктивность L_s были заменены индуктивностью 500 мкГн и насыщающимся «реактором», выполненном на ферритовом кольце. Прижимной IGBT (T0900TA52E) включался сдвоенным импульсом драйвера с целью получения формы тока, аналогичной таковой в настоящем инверторе Мак-Мюррея. Результаты эксперимента значительное снижение потерь в диоде и IGBT благодаря более мягкой характеристике обратного восстановления.

ВЫВОДЫ

Все три сверхбыстрых диода 4.5кВ/50мм с особо мягкой характеристикой обратного восстановления и различными способами контроля времени жизни носителей показали отличные результаты как в статических, так и в динамических режимах. Преимуществом типа А является низкое значение I_rm, в то время как типа В – малое прямое падение напряжения и высокая рабочая температура. Тип С по сравнению с А и В имеет повышенное прямое падение напряжения и больший пиковый ток обратного восстановления. Диод типа В по-видимому является наиболее подходящим для большинства применений. Тип А также имеет приемлемые характеристики в случаях, когда рабочая температура не является основной проблемой. Наиболее востребованным применением новых диодов является их использование в качестве обратных («гасящих») диодов в столбах с IGBT прижимной конструкции. Благодаря использованию диффузии тяжелых металлов и имплантации ионов для контроля времени жизни носителей удалось добиться оптимального сочетания статических и динамических характеристик. Новые диоды расширяют область применения высоковольтных IGBT.

Автор:	Gangru Li
Дата:	2011-09-09