Блог компании IGBT-транзистор Infineon IKW25N120T2 1200В 25А с антипараллельным диодом

Компания Shenzhen Mingjiada Electronics Co., Ltd. поставляет IGBT-транзистор Infineon IKW25N120T2 на 1200 В, 25 А с антипараллельным диодом.Позиционирование модели и продукта

I. Позиционирование модели и продукта

IKW25N120T2 — это однотранзисторный IGBT-транзистор Infineon на 1200 В/25 А из второго поколения (T2) серии TRENCHSTOP. Он использует конфигурацию 'DuoPack', которая объединяет IGBT-чип с быстровосстанавливающимся эмиттерно-управляемым диодом с мягким восстановлением в одном пластиковом корпусе PG-TO-247-3 с кодом заказа IKW25N120T2FKSA1 и маркировкой K25T1202.

Обозначение модели четко указывает на характеристики: 'IK' означает IGBT с антипараллельным диодом (в то время как обозначение, начинающееся с 'IG', указывает на одночиповый IGBT без диода); 'W' означает корпус TO-247; 25 означает номинальный ток коллектора 25 А при температуре корпуса 100 °C; 120 означает номинальное напряжение 1200 В; T2 относится к платформе TRENCHSTOP 2-го поколения, с технологией чипа, производной от траншейной структуры затвора с полем остановки IGBT 4-го поколения Infineon (IGBT4). Рекомендуемый диапазон частот переключения составляет от 2 кГц до 20 кГц; он позиционируется как устройство 'низкочастотного жесткого переключения', которое отдает приоритет потерям проводимости, одновременно учитывая потери на переключение, дополняя серию H3, разработанную для высокочастотной работы.

II. Техническая платформа и конструктивные особенности

В основе этого устройства лежит составная структура, состоящая из траншейного затвора и поля остановки. Траншейный затвор преобразует канал из планарного в вертикальный, увеличивая плотность ячеек и крутизну; слой поля остановки образует буфер на конце области стока, позволяя изготавливать чип тоньше при сохранении напряжения пробоя 1200 В, тем самым одновременно снижая падение напряжения насыщения и ток хвоста при выключении. По сравнению с более ранними планарными IGBT, это поколение предлагает улучшения как в статических, так и в динамических характеристиках, а не просто обмен потерями во включенном состоянии на потери при переключении.

Антипараллельный диод использует эмиттерно-управляемую высокоэффективную (HE) конструкцию, характеризующуюся очень мягкой формой волны восстановления и контролируемым зарядом восстановления. Это подавляет пиковый ток обратного восстановления диода в момент включения IGBT, тем самым снижая потери при включении и электромагнитные помехи. Это также практическая ценность корпуса 'DuoPack': IGBT и его диод разработаны и согласованы одним производителем для размещения на одной площади чипа; пользователям не нужно самостоятельно выбирать дискретный быстровосстанавливающийся диод, что экономит место и затраты, а также позволяет избежать ошибок несоответствия.

III. Ключевые статические параметры

Напряжение коллектор-эмиттер (VCE) составляет 1200 В (измерено при VGE = 0 В и IC = 500 мкА); максимальное напряжение затвор-эмиттер составляет ±20 В; диапазон рабочих температур перехода составляет от -40 °C до +175 °C; диапазон температур хранения составляет от -55 °C до +150 °C.

Токовая нагрузочная способность разделена на два уровня: постоянный ток коллектора 50 А при температуре корпуса (TC) 25 °C, который снижается до 25 А при TC = 110 °C; это объясняет происхождение номинала '25 А'; импульсный ток коллектора ICPuls составляет 100 А (ограничен Tjmax), в то время как безопасная рабочая область (SOA) для выключения также составляет 100 А (VCE ≤ 1200 В, Tj ≤ 175 °C). Со стороны диода: прямой ток составляет 40 А при TC = 25 °C и 25 А при TC = 110 °C; импульсный ток составляет 100 А.

Падение напряжения насыщения VCEsat при условиях VGE = 15 В и IC = 25 А составляет типично 1,7 В при 25 °C (максимум 2,2 В), типично 2,1 В при 150 °C и типично 2,2 В при 175 °C. Эти значения находятся на нижнем пределе для класса 1200 В/25 А, что напрямую отражает преимущество платформы T2 'низкий VCEsat'. Более важно то, что VCEsat имеет положительный температурный коэффициент; падение напряжения увеличивается, а не уменьшается при высоких температурах. При параллельном соединении нескольких устройств ток естественным образом балансируется, предотвращая тепловой разгон, вызванный 'перетягиванием' тока отдельными устройствами; следовательно, производитель явно указывает 'легкое параллельное соединение' как особенность.

Другие статические параметры: напряжение порога затвора VGEth составляет 5,2 В / 5,8 В / 6,4 В (минимум / типичное / максимум), а крутизна характеристики gfs составляет типично 13,5 С (VCE = 20 В, IC = 25 А). Такое широкое распределение пороговых напряжений означает, что устройство несовместимо напрямую с логическими драйверами (такими как 3,3 В или 5 В); необходимо использовать специальный IGBT-драйвер с напряжением включения +15 В. Ток утечки при нулевом напряжении затвора ICES составляет приблизительно 0,4 мА при 25 °C и 1200 В, приблизительно 4 мА при 150 °C и может достигать 20 мА при 175 °C; потери блокировки при высоких температурах должны учитываться во время ожидания при высоком напряжении или в условиях высоких температур и не могут быть оценены с использованием значений для нормальных температур.

Прямое падение напряжения (VF) диода составляет типично 1,65 В при 25 °C и 1,7 В при 150 °C при IF = 25 А, с максимумом 2,2 В.

IV. Динамические параметры и потери на переключение

Входная емкость Ciss составляет 1600 пФ, выходная емкость Coss — 155 пФ, а емкость обратной передачи Crss — 90 пФ (VCE = 25 В, VGE = 0 В, 1 МГц); заряд затвора QGate составляет 120 нКл (VCC = 960 В, IC = 25 А, VGE = 15 В). Этот набор данных определяет мощность управления: рассчитанная по формуле Qg × ΔVGE × fsw, мощность управления затвором при 10 кГц составляет приблизительно 0,12 мкКл × 23 В × 10 кГц ≈ 28 мВт. Нагрузка на сам драйвер очень мала; основная проблема заключается в ложном срабатывании, вызванном dv/dt от емкости Миллера, а не в недостаточной мощности управления.

В тестовых условиях с индуктивной нагрузкой, VCC = 600 В, IC = 25 А, VGE = 0/15 В и RG = 16,4 Ом, характеристики переключения при 25 °C следующие: задержка включения td (on) 27 нс, время нарастания tr 20 нс, задержка выключения td (off) 265 нс, время спада tf 95 нс, энергия включения Eon 1,55 мДж, энергия выключения Eoff 1,35 мДж и общая энергия переключения Ets 2,9 мДж; при 175 °C td (on) составляет 25 нс, tr — 24 нс, td (off) — 340 нс, tf — 164 нс, Eon — 2,25 мДж, Eoff — 2,05 мДж, Ets — 4,3 мДж.

Наиболее заметным аспектом этого набора данных является температурный эффект: в то время как параметры включения остаются практически неизменными, параметры выключения значительно ухудшаются, tf увеличивается с 95 нс до 164 нс, а Eoff возрастает примерно на 52%. Это связано с увеличением тока хвоста при высоких температурах, что является общей характеристикой всех IGBT. Следовательно, расчеты теплового режима не должны основываться на значении Eoff при 25 °C; необходимо применять запас безопасности, используя значения для 125 °C или 175 °C, иначе фактическое повышение температуры превысит ожидания. Кроме того, в техническом описании указано, что Eon уже включает потери на обратное восстановление диода; при использовании Ets для оценки на уровне системы не добавляйте потери Qrr отдельно, чтобы избежать двойного учета.

Исходя из Ets 4,3 мДж при 175 °C, потери на переключение составляют приблизительно 43 Вт при 10 кГц и приблизительно 86 Вт при 20 кГц; это объясняет, почему производитель установил верхний предел в 20 кГц — на более высоких частотах потери на переключение быстро сведут на нет выигрыш в эффективности, который затем попадет в область устройств H3 или IGBT7.

V. Детали антипараллельных диодов Время обратного восстановления диода (trr) при условиях VR = 600 В, IF = 25 А и diF/dt ≈ 1050 А/мкс составляет 195 нс при 25 °C и 290 нс при 175 °C; заряд обратного восстановления (Qrr) составляет 2,05 мкКл при 25 °C и 3,65 мкКл при 175 °C; пиковый ток обратного восстановления (Irrm) составляет 20 А при 25 °C и 24 А при 175 °C; скорость спада тока восстановления (dirr/dt) составляет 475 А/мкс при 25 °C и 330 А/мкс при 175 °C.

«Мягкий» характер этого набора данных отражается в относительно плавном dirr/dt, который замедляется при высоких температурах; процесс восстановления не имеет крутого спада тока и, следовательно, не вызывает больших всплесков напряжения на паразитной индуктивности шины, что приводит к хорошим характеристикам ЭМП. Компромиссом является относительно высокий Qrr (3,65 мкКл при 175 °C); в мостовой схеме с жестким переключением на 20 кГц потери на диоде составят значительную часть общих потерь. Инженерный компромисс заключается в следующем: если приложение отдает приоритет низкому уровню шума, низким всплескам напряжения и общей надежности системы, эта комбинация с мягким восстановлением хорошо подходит; если цель состоит в достижении максимально возможной высокочастотной эффективности, то следует использовать диоды с более быстрым временем восстановления, такие как совместимые с H3 или IGBT7.

VI. Способность к короткому замыканию и безопасная рабочая область

IKW25N120T210-мкс окно накладывает четкие требования на проектирование защиты: время блокировки для обнаружения снижения напряжения должно быть менее 10 мкс, а наклон мягкого отключения должен быть достаточно плавным, чтобы предотвратить возникновение перенапряжения из-за di/dt в момент отключения на паразитной индуктивности и вызвать пробой. Короткое замыкание продолжительностью более 10 мкс неизбежно приведет к отказу; следовательно, это не 'опциональная защита', а обязательное требование. Следует также отметить, что при начальной температуре перехода 175 °C ток короткого замыкания уменьшается, а окно становится более узким; следовательно, необходимо предусмотреть запас для порога защиты в условиях высоких температур и больших нагрузок.

VII. Тепловой расчет и оценка рассеиваемой мощности

IKW25N120T2

Тепловое сопротивление Rthjc (IGBT) составляет 0,43 К/Вт, Rthjc диода — 0,81 К/Вт, а тепловое сопротивление переход-окружение Rthja — 40 К/Вт (без радиатора, естественная конвекция; только для справки). При TC = 25 °C общее рассеивание мощности Ptot составляет 349 Вт, линейно снижаясь с температурой корпуса.

Тепловое сопротивление диода почти вдвое больше, чем у IGBT (0,81 К/Вт); в мостовых схемах, где рабочий цикл свободного хода высок или коэффициент мощности низок (т. е. высокая составляющая реактивной мощности), температура перехода диода может достичь своего предела первой. При выборе радиатора и расчете температуры перехода необходимо рассчитывать диод отдельно; нельзя полагаться только на кривую теплового сопротивления для IGBT.

VIII. Ключевые соображения при проектировании драйвера и параллельной конфигурации

IKW25N120T2

Для драйвера затвора рекомендуется напряжение включения +15 В и напряжение выключения приблизительно -8 В. Отрицательное смещение при выключении значительно повышает устойчивость к ложному срабатыванию, вызванному dv/dt, что особенно важно для устройств на 1200 В. Параметры переключения в техническом описании приведены для RG = 16,4 Ом; при выборе резистора на практике можно вносить коррективы вокруг этого значения: увеличение RG снижает di/dt и всплески, а также подавляет ЭМП, но увеличивает потери на переключение; уменьшение RG имеет противоположный эффект. Поскольку Eon включает восстановление диода, сопротивление на стороне включения не следует устанавливать слишком низким, иначе пиковый ток восстановления и колебания увеличатся.Что касается параллельной работы, положительный температурный коэффициент VCEsat естественным образом облегчает статическое распределение тока, что официально называется 'легким параллельным соединением'. Однако при параллельном соединении необходимо обратить внимание на два момента: во-первых, разброс VGEth от 5,2 до 6,4 В приведет к небольшим вариациям во времени включения; динамическое распределение тока должно быть сбалансировано с помощью независимых резисторов затвора для каждого устройства; во-вторых, после параллельного соединения общий Qg и Ciss экспоненциально увеличиваются, поэтому пиковый ток драйвера должен быть соответственно увеличен. Не рекомендуется использовать один и тот же резистор затвора для нескольких устройств.

IX. Типичные сценарии применения

IKW25N120T2

Учитывая его характеристики 1200 В, 25 А и 2–20 кГц, это устройство наиболее типично используется в: инверторных и PFC-каскадах источников бесперебойного питания (ИБП); преобразователях частоты и универсальных преобразователях частоты; полумостовых или однотактных топологиях средней и низкой мощности в сварочных аппаратах и индукционных нагревателях; низкомощных сетевых или автономных каскадах фотоэлектрических систем и систем хранения энергии; жестко переключаемых полумостах в зарядных устройствах и промышленных источниках питания; а также в диапазоне мощности около 1 кВт в трехфазных приводах двигателей.

В приложениях, где трехфазный выпрямитель 380 В создает напряжение шины приблизительно 540 В, или где однофазная сеть 220 В повышается до шины 400 В, запас по прочности 1200 В в сочетании с RCD-кломированием или мягким переключением достаточен для обработки всплесков при выключении и колебаний сети — чего не могут достичь устройства класса 600 В. Если шина работает при 800 В или выше в течение длительного времени, необходимо переоценить запас по перенапряжению или использовать четырехконтактный корпус с Кельвин-эмиттером для улучшения защиты от перенапряжения при выключении.

IKW25N120T2

— это IGBT-транзистор на 1200 В/25 А для жесткого переключения с четко определенным применением и отличной согласованностью параметров. Его ценность заключается не в экстремальных характеристиках, а в его способности обеспечивать стабильность, простоту проектирования и контроль затрат в самом широком диапазоне промышленных мощностей — от 2 до 20 кГц — благодаря низкому падению напряжения насыщения, очень 'мягким' согласующим диодам, параллельной работе с положительным температурным коэффициентом (PTC) и способности выдерживать короткое замыкание в течение 10 мкс. Только понимая его температурные характеристики, распределение теплового сопротивления и статус жизненного цикла, можно использовать это устройство в полной мере.