ЭЛЕШО- È РАДИООБОРУДОВАНИЕ СУДОВ
СУДОСТРОЕНИЕ 1'2000
ПАРАЛЛЕЛЬНОЕ СОЕДИНЕНИЕ ТРАНЗИСТОРОВ IGBT В СОСТАВНЫХ ТРАНЗИСТОРНЫХ КЛЮЧАХ
А. В. Агунов канд. техн. наук, Б. Ф. Дмитриев, канд. техн. наук, В. Г. Красавчиков (СПбГМТУ)
Известно, что при проектировании силовых транзисторных преобразователей, которые используются в судовых электроэнергетических системах, оптимальный выбор их элементов должен обеспечивать не только высокую надежность, но и максимальную эффективность реализации и эксплуатации устройства [1]. Как правило, при оценке стоимости различных устройств сравнивают удельную стоимость преобразователя на один ампер при прочих рав-
ных условиях, поэтому актуальным является вопрос снижения стоимости силовых электронных компонентов, составляющих основную часть стоимости комплектующих устройств. При изготовлении крупной партии преобразователей применение составных транзисторных ключей может оказаться более выгодным, чем применение транзисторных модулей, ориентированных на высокие токи. Составной транзисторный ключ наиболее эффективен для устройств, предназначенных для конкретного применения, где можно определить рабочий и максимальный токи с точностью до единиц ампер. Возможность снижения стоимости электронных элементов заложена в меньшей удельной стоимости одного ампера дискретного транзистора по отношению к транзисторному модулю, стоимость которого может достигать 150% стоимости эквивалентного количества дискретных приборов. Меньшая удельная стоимость дискретного транзистора определяется в основном гораздо большими объемами производства и просто-
той конструкции дискретного корпуса.
Максимальные токи серийно выпускаемых модулей на базе биполярных транзисторов с изолированным затвором IGBT (Insulated Gate Bipolar Transirtor) достигают значений 1,5—1,8 кА [2]. При проектировании транзисторных ключей, рассчитанных на большие токи, необходимо рассматривать вопрос параллельного включения и параллельной работы IBGT-модулей.
Характеристики современных транзисторов 1ЮВТ дают возможность их параллельного включения при коммутации напряжения свыше 1000 В без использования выравнивающих цепей. Дискретные транзисторы ЮВТ на максимальный рабочий ток до 15 А выпускаются в корпусе Т0-220, на ток до 30 А — в корпусе ТО-247. Дискретные транзисторы ЮВТ могут выпускаться как без обратного диода, так и со встроенным об-
Рис. 2. Выходные характеристики транзистора ЮВТ типа !1ЮРН50М02 при температурах кристалла 25 оС (I) и 150 оС (2)
ратным диодом в одном корпусе с транзистором, что дает разработчику возможность выбора при разработке транзисторного ключа.
Транзисторные силовые модули являются наиболее предпочтительными, но они, как правило, имеют шаг изменения максимального рабочего тока, равный 25 А, что не позволяет эффективно использовать их при промежуточных значениях рабочего тока. Таким образом, модуль, выбранный с запасом, работает с недогрузкой, существенно увеличивая удельную стоимость устройства. Применение составного транзисторного ключа имеет большие издержки, связанные с проектированием и производством устройства, однако они снижаются при больших объемах производства.
Но и при выпуске малой партии применение составного транзисторного ключа оказывается также выгодным в связи с существенным снижением цены большего количества дискретных транзисторов по сравнению с транзисторными силовыми модулями. Кроме того, при выходе из строя ремонт составного транзисторного ключа значительно дешевле замены силового модуля. В случае принятия решения о проектировании составного ключа, состоящего из параллельно соединенных дискретных транзисторов IGBT, разработчику необходимо знать параметры одиночного транзистора.
Кристалл транзистора IGBT является результатом комбинации МОП и биполярной технологии. Особенности технологий изготовления транзисторов IGBT различными фирмами находят свое отражение в эквивалентных схемах (рис. 1, а, б) [3]. В транзисторах фирм International Rectifier и Semicron силовой р-п-р-транзистор управляется от сравнительно низковольтного МОП с индуцированным каналом через высоковольтный n-канальный полевой транзистор. При этом структура содержит паразитный п-р-п-транзистор, который при определенных условиях не влияет на работу транзистора IGBT. Эквивалентные схемы, показанные на рис. 1, а, б, могут быть представлены в виде упрощенной эквивалентной схемы транзистора IGBT (см. рис. 1, в), которая соответствует условиям работы в пределах нормированных величин плотности тока, и температуры перехода [3].
Рис. 1. Эквивалентные схемы транзисторов IGBT:
a — компании International Rectifier и Semicron; б — компаний Toshiba и Mitsubishi; в — упрощенная схема — комбинация схем а и б
СУДОСТРОЕНИЕ 1'2000
ЭЛЕШО- È РАДИООБОРУДОВАНИЕ СУДОВ
и, B
-60 -40 -20 0 40 60 80 100 120 140
Тс, °С
Рис. 3. Зависимость падения напряжения исе от температуры кристалла Тс при различных значениях тока коллектора 1с для транзистора 1ЮВТ типа 11*ЮРН50М02
Из приведенных эквивалентных схем видно, что р-п-р-транзистор не может находиться в насыщенном состоянии. Падение напряжения в открытом состоянии исе, представляет собой сумму падения напряжения на р-п-переходе р-п-р-транзистора и падения напряжения на управляющем МОП-транзисторе, характеристика которого является такой же, как у любого другого низковольтного транзистора.
Рис. 4. Конструктивное исполнение параллельного соединения транзисторов IGBT:
1 — силовые транзисторы; 2 — общий теплоотвод; 3 — изоляционная прокладка; 4 — основной радиатор
На рис. 2 показаны характеристики соответствия напряжения Uce и тока Ic IGBT-транзистора типа IRGPH50MD2 (International Rectifier) при температурах кристалла 25 оС и 150 оС. Зависимость падения напряжения Uce от температуры кристалла транзистора при различных значениях тока (.типа IRGPH50MD2 показана на рис. 3.
Данный вид характеристик соответствует транзисторам IGBT, оптимизированным для средних рабочих частот (1—10 кГц). Характеристики, приведенные на рис. 3, показывают, что при малых токах коллектора (менее 0,51с, где Ic — максимальный длительный ток коллектора при температуре корпуса Тс = 90 оС, Ic max — максимальный импульсный ток коллектора) c увеличением температуры кристалла падение напряжения Uce уменьшает-
ся, как и у биполярного транзистора. При больших токах с увеличением температуры существенно увеличивается исе, как у МОП-транзистора. Таким образом, у транзисторов ЮВТ температурная обратная связь имеет как положительную, так и отрицательную составляющую.
При параллельном соединении двух транзисторов ЮВТ оба они имеют одинаковое падение напряжения, но транзистор, проводящий больший ток, имеет большую температуру кристалла, которая не должна превышать 150 оС. Как видно из рис. 3, температура оказывает сильное влияние на характеристики проводимости транзистора ЮВТ. Выравнивание температуры кристаллов — основное условие выравнивания характеристик проводимости параллельно соединенных транзисторов, достигаемое установкой их на общий теплоотвод.
Общий теплоотвод, отделенный изоляционной прокладкой от основного радиатора, одновременно является несущей конструкцией транзисторов (рис. 4) и обеспечивает тепловое сопротивление К^ между переходами параллельно соединенных транзисторов в пределах 2 оС/Вт.
Характеристика проводимости транзистора ЮВТ оказывает положительное влияние на выравнивание статических токов при токе, большем 0,51с (см. рис. 2, 3). Падение напряжения исе у двух дискретных транзисторов в открытом состоянии может отличаться на величину до 1 В при прочих равных условиях. Это приводит к тому, что при большом разбросе исе крутизна естественной характеристики проводимости оказывается недостаточной для того, чтобы скомпенсировать разбаланс токов параллельно соединенных транзисторов до приемлемого уровня. В наихудшем случае разброса значений исе транзисторы составного ключа могут быть использованы лишь на 50—75% по току 1с и то при условии установки их на общий теплоотвод.
Для повышения эффективности устройства и снижения его удельной стоимости загрузку транзисторов составного ключа можно существенно увеличить, практически до значения 1с. Однако в этом случае необходимо осуществлять подбор дискретных транзисторов. При параллельном со-
д/ %
30
25
20
15 2/
10 U-i
5
п
0 0,1 0,2 0,3 0 ■4 0<5 0'6ди
Рис. 5. Зависимость разбаланса токов Л1с двух параллельно соединенных транзисторов ЮВТ типа IRGPC50F от разницы падений напряжения ЛЦ, для общего (7) и раздельного (2) теплоот-водов
единении и ключевом режиме работы транзисторы должны иметь минимально допустимый разброс параметров, определяющих их частотные характеристики.
На рис. 5 показана зависимость величины разбаланса токов Л1с двух параллельно соединенных транзисторов 1ЮВТ типа !1^ЮРС50Р от разницы напряжений Лисе, измеренной в «диодном» режиме (рис. 6).
Из рис. 7 видно, что на малых токах разбаланс Л1с может достигать 100%.
Рис. 6. Схема включения транзистора IGBT Е в «диодном» режиме
Корпуса ТО-220 и ТО-24 транзисторов 1ЮВТ предназначены для печатного монтажа. Максимальный длительный ток, допустимый для печатных проводников транзистора в корпусе ТО-247, как правило, составляет 20—30 А, что является естественным ограничением максимального количества параллельно соединяемых транзисторов.
Для устранения возможного взаимовлияния транзисторов по цепям управления необходимо обеспечить развязку затворов параллельно соединенных транзисторов резисторами с сопротивлениями не менее 10 Ом. Схема управления составным ключом должна представлять собой стабилизированный источник напряжения с малым внутренним сопротивлением.
Выводы. 1. При построении составных силовых транзисторных клю-
c
ЭЛЕШО- И РАДИООБОРУДОВАНИЕ СУДОВ
СУДОСТРОЕНИЕ 1'2000
1 ' ^>J
L
Рис. 7. Зависимость разбаланса токов AIc двух параллельно соединенных транзисторов IGBT типа IRGPC50F от тока коллектора Ic при постоянной разнице падений нап
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.