ANALYSIS AND COMPARISON OF A FAST T

ANALYSIS AND COMPARISON OF A FAST TURN ON SERIES IGBT STACK AND HIGH VOLTAGE RATED COMMERCIAL IGBTS
Abstract
High voltage rated solid-state switches such as insulated-gate bipolar transistors (IGBTs) are commercially available up to 6.5 kV. Such voltage ratings are attractive for pulsed power and switch-mode converter applications. However, as the IGBT voltage ratings increase, the rate of current rise and fall are generally reduced. This trade-off is difficult to avoid as IGBTs must maintain a low resistance in the n-epitaxial or drift region layer. For high voltage rated IGBTs with thick drift regions, the high carrier concentrations are injected at turn-on and removed at turn-off, which slows the switching speed. An option for faster switching is to series multiple, lower voltage rated IGBTs. A customized IGBT stack with six, 1200 V rated IGBTs in series has been experimentally tested. The six-seriesed IGBT stack consists of individual, optically isolated, gate drivers and aluminum cooling plates for forced air cooling which results in a compact package. Each IGBT is overvoltage protected by transient voltage suppressors.
The turn-on current rise time of the six-series IGBT stack and a single 6.5 kV rated IGBT has been experimentally measured in a pulsed resistive-load capacitor discharge circuit. The IGBT stack has also been compared to a two seriesed IGBT stack, each rated at 3.3 kV, in a boost circuit application switching at 9 kHz and an output of 5 kV. The six-series IGBT stack results in significantly improved power conditioning efficiency due to a reduced current tail during turn-off. The experimental test parameters and the results of the comparison tests are discussed in the following paper.
I. INTRODUCTION
The IGBT has accrued success as a high power solid state switching device due to its combination of fast switching, low conduction loss, and high impedance gate control. However, there will always be an unrelenting demand for higher performance devices. Manufacturers are therefore motivated to develop switches with extended voltage ratings and current carrying capability. Currently, commercial off-the-shelf (COTS) high voltage IGBTs have achieved ratings up to 6.5 kV from multiple manufacturers. High voltage (>1200 V) IGBTs are commonly sold as modules with ratings from 200 A to over 2000 A, aimed at motorcontrol and traction applications.
Increasing the voltage ratings of IGBTs generally reduces turn-on and turn-off di/dt and increases the switching loss [1]. For systems which require higher switching frequencies such as high voltage switch mode power supplies (SMPS) and pulse power applications, fast switching is essential to the performance of the system with subsequent low turn-on and turn-off losses. As such, a review of the inherent device structure is important to understanding the loss mechanisms.
The IGBT can be modeled as a MOSFET controlled BJT. In a non-punch-through (NPT) IGBT, a PNP BJT is formed with a p+ doped layer added to the basic MOSFET structure's collector. The BJT portion enables conductivity modulation in the lightly doped n- epitaxial or drift region layer with injection of holesfrom the p+ collector. The drift region supports the bulk of the depletion region during the off-state and contributes resistance during the on-state [2]. As the IGBT's voltage capacity increases, the thickness of the drift region generally increases and requires deeper ambipolar diffusion lengths at high injection levels for sufficient carrier concentration across the entire drift region [3]. Thus, high carrier concentration is present in the drift region for high voltage IGBTs. As a result, injection and recombination of large amounts of charge will result in slower current rate of change at turn on and turn off.
The latest generation of IGBT designs such as the fast-stop or soft/light punch-through technology reduces losses compared to similar rated NPT designs [3-5]. These designs use advanced doping profiles, which add a thin type-n doped buffer layer adjacent to the heavily doped p+ collector. This buffer layer provides desired forward on-state voltage during conduction and allows for a thinner drift region to mitigate switching loss. Also, new trench-gate IGBT designs have been shown to lower on-state voltage compared to planar DMOS gate structures by reducing the on-state resistance in the MOSFET portion [4-6]. These technologies are employed in recent 6.5 kV rated COTS, IGBTs designed for rugged industrial and commercial applications. An alternative to high voltage COTS, IGBTs is to assemble a stack of lower voltage rated, IGBTs in series. Theoretically, a stack of IGBTs will switch similar to each individual IGBT. A 7.2 kV rated switch has been built using six, 1200 V rated IGBTs in series. This IGBT stack design divides the total voltage capacity among six IGBTs and eliminates a single large drift region to support the off-state voltage. Therefore, faster switching is achieved. The six series IGBT stack switching performance is experimentally compared to a single 6.5 kV IGBT in a single-shot pulsed resistive load application and two 3.3 kV IGBTs in series in a 5 kV DC output boost converter circuit operating at 9 kHz.
II. DESIGN OF THE IGBT STACK
The University of Missouri Columbia and Loree
Engineering have designed and built the custom IGBT
stack for a 5 kV DC, 1 kW output boost converter as a
primary design application. However, the stack's
switching ability also lends itself well as a pulsed
power solid-state switch, where it can be modularized
for higher voltage or current capability. To characterize.
the switch for pulse power applications, resistive load
pulse tests were utilized to determine the stack's turnon
time.
The IGBT stack uses six International Rectifier (IRF) IRGP30B120KD-E IGBTs rated at 1200 V and 60 A continuous current. This IGBT is a NPT type IGBT, in a TO-247AD package. The NPT type IGBTs have been shown to be nearly ideal for series stack assemblies [7]. The stack can theoretically handle 120 A single-shot pulses according to the IRF datasheet ratings. The IGBT stack is shown below in Figure 1. Each IGBT gate signal is transmitted through fiber-optics to the individual isolated gate driver boards on which the IGBT is connected. Each gate driver board provides +15 V for turn-on, and 0 V for turn-off through a 4.7 Q gate resistor in series with the gate.
The power and optical trigger signals are delivered to the six IGBTs in the stack from a dedicated power conditioning and trigger module at the base. The stack requires a TTL level triggering input and 12 V DC power. From the base, a single loop of wire is fed through a transformer core on each gate driver board, and provides a one-turn primary winding for each board's isolation transformer.
The heat sink for each IGBT is a flat milled aluminum plate (measuring 5.15" x 3" x 0.1875"), with 0.5" radius rounded corners and 3/32" rounded edges. Maximum power dissipation per IGBT has been estimated to be 30 W per IGBT or 180 W total, with approximately 100-200 CFM airflow at 25°C. Cooling can be provided by forced-air between the heat sinks for horizontal cross flow. The switch design currently assumes operation in a controlled laboratory environment. The IGBTs are not isolated from each aluminum cooling plate, so the plates serve as the collector and emitter contacts.
Each IGBT is voltage-protected by six transient voltage suppressors (TVS) diodes in series. The six diodes in series limit each IGBT collector-emitter voltage to 1200 V. This simple method of voltage protection prevents over-voltage of an IGBT that may switch asymmetrically.

Figure 1. The assembled IGBT stack. Located below the switch stack is the power conditioning and trigger input module.
III. EXPERIMENTAL RESULTS
The following experimental analysis demonstrates the switching performance of the IGBT stack in two separate systems. One is a pulsed resistive load circuit that has been designed to allow measurement of the current risetime during turn-on of the IGBT stack. The second circuit is a boost converter, whereby the turn-off speed and energy loss of the IGBT stack is experimentally verified for switch-mode power supply applications.
A. Pulsed Resistive Load Turn-on
The pulsed resistive load circuit is shown below in Figure 2. In this circuit, two, 5 RF capacitors are assembled in series to achieve a total of 2.5 RF of capacitance that is charged to 5 kV. The circuit inductance was not accurately measured, but the total loop inductance was estimated to be around 500 nH. The load impedance is 357 Q, made of two copper sulfate water resistors in parallel for 14 A peak current. The pulse width was arbitrarily set to 10.5 gs, and the turn-on time of the device measured. The turn-on waveform is shown below in Figure 3. The 10-90% risetime of the IGBT stack under the test conditions was 52.4 ns. The voltage monitor was placed directly across the IGBT stack during the measurements to eliminate inductive effects.

Figur 2. Pulsedresistiveloa

Figure 3. The IGBT stack turn-on time is 52.3 ns with a peak current of 14 A.
The IGBT stack was compared to a single 6.5 kV rated IGBT module manufactured be EUPEC (FZ200R65KF1). This module is rated at 200 A, and uses fast-stop technology with trench gate technology. The gate driver applies a gate-emitter voltage of ±15 V without an external gate resistor. Peak gate current is approximately 9.9 A. The risetime of the EUPEC IGBT is shown in Figure 4. The 10-90% risetime was measured to be 179.2 ns.

Figure 4. The 6.5 kV IGBT turn-on time is 179.2 ns, with a peak current of 14 A.
A. Boost Converter Turn-off
A simple boost converter circuit was designed and fabricated to test the performance of the IGBT stack and also the higher voltage devices (Dynex NPT IGBTs (DIM200PHM33). The boost converter steps up 500 V to 5 kV across a resistive load. The simplified circuit schematic is shown in Fig

Results (Thai) 1:

วิเคราะห์และเปรียบเทียบอย่างรวดเร็วเปิดกองชุด IGBT และแรงดันสูงในอันดับ IGBTS พาณิชย์บทคัดย่อแรงดันสูงคะแนนสลับโซลิดสเตตเป็นประตูฉนวนไฟที่ไบโพลาร์ transistors (IGBTs) จะพร้อมใช้งานในเชิงพาณิชย์ได้ 6.5 kV อันดับแรงดันดังกล่าวน่าสนใจพลังงานพัลและโปรแกรมแปลงสลับโหมดได้ อย่างไรก็ตาม เป็นการ IGBT แรงจัดอันดับเพิ่มขึ้น อัตราเพิ่มขึ้นปัจจุบันและตกได้โดยทั่วไปลดลง Trade-off นี้ยากที่จะหลีกเลี่ยงการเป็น IGBTs ต้องรักษาความต้านทานต่ำในภูมิภาคชั้น n epitaxial หรือดริฟท์ได้ สำหรับไฟฟ้าแรงสูงในอันดับ IGBTs กับภูมิภาคดริฟท์หนา ความเข้มข้นสูงผู้ขนส่งจะฉีดที่ turn-on และเอาที่หันออก ซึ่งความเร็วสลับช้า ตัวเลือกสำหรับการสลับเร็วจะชุดหลาย แรงดันต่ำคะแนน IGBTs ทดสอบกองซ้อน IGBT กำหนดเอง มี 6, 1200 V ที่ได้คะแนน IGBTs ในชุด experimentally หก seriesed IGBT กองประกอบด้วยโปรแกรมควบคุมประตูละ optically แยก และอลูมิเนียมระบายความร้อนที่แผ่นทำความเย็นซึ่งผลลัพธ์ในรูปทรงกะทัดรัด IGBT แต่ละมี overvoltage ป้องกัน โดยแรงดันไฟฟ้าชั่วคราว suppressors Turn-on ขึ้นเวลาปัจจุบันกอง IGBT ชุดหกและ 6.5 เดียว kV คะแนน IGBT ได้ถูก experimentally วัดในวงจรตัวเก็บประจุโหลดหน้าพัลปลดประจำการ เทียบกอง IGBT การกองซ้อนสอง seriesed IGBT ยัง แต่ละอันดับที่ 3.3 kV ในโปรแกรมประยุกต์วงจรเพิ่มสลับที่ 9 kHz และ output 5 kV กอง IGBT ชุดหกผลปรับประสิทธิภาพเนื่องจากหางปัจจุบันลดลงระหว่างหันออกกำลังดีขึ้นอย่างมีนัยสำคัญ พารามิเตอร์การทดสอบทดลองและผลการทดสอบเปรียบเทียบกล่าวถึงในเอกสารต่อไปนี้ I. บทนำIGBT ได้สะสมความสำเร็จเป็นสถานะของแข็งพลังงานสูงสลับอุปกรณ์เนื่องจากการรวมกันของการสลับอย่างรวดเร็ว ขาดทุนจึงต่ำ และควบคุมประตูความต้านทานสูง อย่างไรก็ตาม เสมอจะมีความต้องการ unrelenting อุปกรณ์ประสิทธิภาพสูง ผู้ผลิตดังปัจจุบันกำลังความสามารถ และแรงจูงใจพัฒนาสลับกับแรงดันเพิ่มเติม ปัจจุบัน พาณิชย์รูป (เปล) แรงดันสูง IGBTs ได้บรรลุการจัดอันดับสูงสุด 6.5 kV จากหลายผู้ผลิต แรงดันสูง (> 1200 V) IGBTs มีขายทั่วไป ตามด้วยการจัดอันดับจาก 200 A ไปกว่า 2000 A มุ่ง motorcontrol และลากโปรแกรมประยุกต์ เพิ่มแรงดันไฟฟ้าการจัดอันดับของ IGBTs โดยทั่วไปลด turn-on และหันออก di/dt และเพิ่มการสูญเสียเปลี่ยน [1] สำหรับระบบที่ต้องสลับความถี่เช่นสวิตช์ไฟฟ้าแรงสูงสูง โหมดเพาเวอร์ซัพพลาย (SMPS) และชีพจรพลังงานประยุกต์ สลับอย่างรวดเร็วเป็นสิ่งสำคัญเพื่อประสิทธิภาพการทำงานของระบบมีลำดับต่ำ turn-on และหันออกขาดทุน เช่น ทบทวนโครงสร้างอุปกรณ์โดยธรรมชาติจะต้องทำความเข้าใจเกี่ยวกับกลไกการสูญเสียสามารถเป็นแบบจำลอง IGBT เป็นมอสเฟตแบบควบคุมภูมิใจไทย ในการไม่เจาะผ่าน (NPT) IGBT ภูมิใจไทย PNP จะเกิดขึ้นกับ p + doped ชั้นเพิ่มตัวเก็บรวบรวมของโครงสร้างมอสเฟตพื้นฐาน ส่วนภูมิใจไทยทำให้เอ็มนำ doped เบา ๆ n-epitaxial หรือดริฟท์ภูมิภาคชั้นกับฉีด holesfrom เก็บ p + ภูมิภาคดริฟท์สนับสนุนจำนวนมากของภูมิภาคจนหมดในระหว่างการปิดสถานะ และจัดสรรความต้านทานระหว่างบนรัฐ [2] เป็นกำลังแรงดันของ IGBT เพิ่ม ความหนาของภูมิภาคดริฟท์โดยทั่วไปเพิ่ม แล้วต้องแพร่ ambipolar ความยาวที่ลึกระดับสูงฉีดสำหรับความเข้มข้นเพียงพอของผู้ขนส่งทั่วทั้งภูมิภาคดริฟท์ทั้งหมด [3] ดังนั้น ความเข้มข้นสูงขนส่งอยู่ในภูมิภาคดริฟท์สำหรับแรงดันสูง IGBTs ดังนั้น ฉีด recombination จำนวนมากค่าจะส่งผลช้าปัจจุบันอัตราการเปลี่ยนแปลงที่เปิดบน และปิดรุ่นล่าสุดของ IGBT ที่ออกแบบเช่นหยุดอย่างรวดเร็ว หรือน้ำอัดลม/ไฟเจาะผ่านเทคโนโลยีลดการขาดทุนเมื่อเทียบกับคล้ายได้รับคะแนนแบบ NPT [3-5] ออกแบบเหล่านี้ใช้ขั้นสูงโดปปิงค์โพรไฟล์ ซึ่งเพิ่มชั้นบัฟเฟอร์ doped n ชนิดบางที่ประชิดตัวมาก doped p + เก็บรวบรวม ชั้นบัฟเฟอร์นี้ให้แรงดันไฟฟ้าในรัฐต้องไปข้างหน้าในระหว่างการนำ และทำให้บางภูมิภาคดริฟท์เพื่อลดขาดทุนสลับ ยัง ลายร่องลึกเก IGBT ได้ถูกแสดงให้แรงดันในสถานะต่ำกว่าเมื่อเทียบกับระนาบ DMOS ประตูโครงสร้าง โดยการลดความต้านทานในสถานะในส่วนมอสเฟต [4-6] เทคโนโลยีเหล่านี้ถูกว่าจ้างใน 6.5 ล่า kV คะแนนเปล IGBTs ออกแบบมาสำหรับโปรแกรมประยุกต์อุตสาหกรรม และพาณิชย์ทนทาน ทางเลือกแรงดันสูงเปล IGBTs คือการ รวบรวมกองซ้อนล่างแรงดันคะแนน IGBTs ในชุด ตามหลักวิชา สแต็คของ IGBTs จะสลับกับ IGBT แต่ละแต่ละ สวิตช์ kV คะแนน 7.2 ถูกสร้างโดยใช้ 6, 1200 V ที่ได้คะแนน IGBTs ในชุด นี้ออกแบบกอง IGBT แบ่งกำลังการผลิตแรงดันไฟฟ้ารวมระหว่าง IGBTs หก และกำจัดภูมิภาคดริฟท์เดียวขนาดใหญ่เพื่อรองรับแรงดันจากรัฐ ดังนั้น สลับเร็วที่ทำ กอง IGBT ชุด 6 สลับประสิทธิภาพถูกเปรียบเทียบกับ 6.5 เดียว experimentally kV IGBT ในเดียวยิงสูงหน้าโหลดแอพลิเคชันและสอง 3.3 kV IGBTs ในชุดใน 5 kV DC ออกเพิ่มแปลงวงจรปฏิบัติการที่ 9 kHz II การออกแบบของ IGBT กอง มหาวิทยาลัยมิสซูรีโคลัมเบียและ Loreeวิศวกรรมได้ออกแบบ และสร้าง IGBT แบบกำหนดเองสแตกสำหรับ 5 kV DC แปลงการเพิ่มผลผลิต 1 กิโลวัตต์เป็นการหลักการออกแบบโปรแกรมประยุกต์ อย่างไรก็ตาม ของกองสลับความสามารถยังยืดตัวดีเป็นแบบพัลไฟฟ้าสลับโซลิดสเตต ที่สามารถ modularizedแรงดันสูงหรือความสามารถในปัจจุบัน การกำหนดลักษณะสวิตช์สำหรับชีพจรพลังงานประยุกต์ หน้าโหลดชีพจรทดสอบถูกใช้เพื่อกำหนดของกอง turnonเวลา กอง IGBT ใช้ IGBTs IRGP30B120KD E วงจรเรียงกระแสสากล (IRF) 6 คะแนนที่ 1200 V และ A 60 ปัจจุบันอย่างต่อเนื่อง IGBT นี้เป็นชนิด NPT IGBT ในแพคเกจเป็น 247AD มีการแสดงแบบ NPT IGBTs จะเกือบเหมาะสำหรับแอสเซมบลีกองชุด [7] กองซ้อนสามารถครั้งแรกราคาจัดการ 120 A เดียวยิงกะพริบตามการจัดอันดับแผ่น IRF กอง IGBT เป็นดังในรูปที่ 1 มีส่งแต่ละ IGBT ประตูสัญญาณผ่านไฟเบอร์กับบอร์ดควบคุมประตูแยกแต่ละที่มีการเชื่อมต่อที่ IGBT คณะกรรมการแต่ละโปรแกรมควบคุมประตูให้ 15 V สำหรับ turn-on และ 0 V สำหรับหันออกผ่านตัวต้านทานเก Q 4.7 ในชุดที่มีประตู ไฟฟ้าและสัญญาณทริกเกอร์แสงจะถูกส่งไป IGBTs หกในกองซ้อนจากพลังงานเฉพาะปรับและทริกเกอร์โมที่ฐาน กองต้องระดับ TTL เรียกเข้า และ 12 V DC พลังงาน จากฐาน วงเดียวของสายป้อนผ่านหม้อแปลงไฟฟ้าหลักบนกระดานแต่ละโปรแกรมควบคุมประตู และขดลวดหลักหนึ่งเปิดสำหรับหม้อแปลงไฟฟ้าแยกแต่ละคณะ อ่างความร้อนสำหรับ IGBT แต่ละเป็นจานแบนอลูมิเนียมสาร (วัด 5.15 " x 3" x 0.1875 "), 3/32" ปัดขอบและ 0.5" มุมรัศมีปัด กระจายอำนาจสูงสุดต่อ IGBT มีการประมาณว่า 30 W ต่อ IGBT หรือ W รวม 180 มีประมาณ 100-200 เย็น 360W ไหลของอากาศที่ 25 องศาเซลเซียส ทำความเย็นให้บริการ โดยบังคับอากาศระหว่างเก็บความร้อนในแนวนอนระหว่างกระแส แบบสลับอยู่สันนิษฐานการดำเนินงานในสภาพแวดล้อมห้องปฏิบัติการควบคุม IGBTs ไม่แยกจากแต่ละอลูมิเนียมระบายความร้อนจาน เพื่อให้แผ่นทำหน้าที่เป็นผู้ติดต่อรวบรวมและตัวส่ง IGBT แต่ละมีป้องกันแรงดัน ด้วยไดโอดได้ suppressors (ทีวี) แรงดันไฟฟ้าชั่วคราวหกในชุด ไดโอดได้ที่หกในชุดจำกัดแรงดันแต่ละตัวส่งเก็บ IGBT ไป 1200 V วิธีง่าย ๆ ป้องกันแรงดันไฟฟ้าไม่ให้เกินแรงดันของ IGBT ที่อาจสลับ asymmetrically รูปที่ 1 กอง IGBT ที่ประกอบ อยู่ข้างใต้กองสลับมีอำนาจปรับและทริกอินพุตโม III. ทดลองผล ทดลองวิเคราะห์ต่อไปนี้แสดงให้เห็นถึงประสิทธิภาพของกอง IGBT สลับในสองระบบที่แยกต่างหาก หนึ่งคือวงจรโหลดพัลหน้าที่ได้รับการออกแบบให้วัด risetime ปัจจุบันระหว่าง turn-on กอง IGBT วงจรที่สองเป็นแปลงเพิ่ม โดยหันออกเร็วและพลังงานสูญเสียกอง IGBT จะ experimentally ตรวจสอบสำหรับสลับโหมดเพาเวอร์ซัพพลาย A. สูง Turn-on โหลดหน้า วงจรโหลดหน้าพัลเป็นดังในรูปที่ 2 ในวงจรนี้ 2, 5 RF ตัวเก็บประจุจะประกอบในชุดเพื่อให้ได้จำนวน 2.5 RF ของค่าความจุที่คิด 5 kV Inductance วงจรได้ไม่แม่นยำวัด แต่ inductance วนรวมได้ประมาณ 500 รอบเอ็น ความต้านทานโหลด 357 Q ทำของ resistors น้ำทองแดงสองควบคู่กันสำหรับช่วง peak A 14 ปัจจุบันได้ ความกว้างของพัลส์โดยพลการไม่ได้ถูกตั้งค่าให้ 10.5 gs และเวลา turn-on อุปกรณ์วัด รูปคลื่น turn-on เป็นดังในรูปที่ 3 Risetime 10-90% ของกอง IGBT ภายใต้เงื่อนไขการทดสอบ 52.4 ns ตรวจสอบแรงดันไฟฟ้าถูกวางตรงข้ามกอง IGBT ในระหว่างการวัดการขจัดผลกระทบเชิงอุปนัย รูป 2 Pulsedresistiveloa รูปที่ 3 เวลา turn-on กอง IGBT เป็น 52.3 ns กับกระแสสูงสุด 14 อ. กอง IGBT ถูกเมื่อเทียบกับ 6.5 เดียว kV คะแนนโมดู IGBT ผลิต EUPEC (FZ200R65KF1) จะ โมดูลนี้อยู่ในอันดับที่ 200 A และใช้เทคโนโลยีอย่างรวดเร็วต้อง มีร่องลึกเกทเทคโนโลยี ควบคุมประตูใช้ประตูตัวส่งแรงดันของ ±15 V โดยมีตัวต้านทานภายนอกประตู ปัจจุบันประตูสูงสุดคือ ประมาณ 9.9 อ. Risetime ของ EUPEC IGBT จะแสดงในรูปที่ 4 Risetime 10-90% ถูกวัดเป็น 179.2 ns รูปที่ 4 6.5 การ kV IGBT turn-on เวลาคือ 179.2 ns กับกระแสสูงสุด 14 อ.A. เพิ่มแปลงหันออกออกแบบ และหลังสร้างเพื่อทดสอบประสิทธิภาพการทำงานของสแตก IGBT และอุปกรณ์แรงดันสูง (Dynex NPT IGBTs (DIM200PHM33) วงจรแปลงเพิ่มง่าย แปลงเพิ่มต่อค่า 500 V 5 kV ข้ามโหลดหน้า วงจรง่ายมันจะแสดงในฟิก

Results (Thai) 2:

การวิเคราะห์และเปรียบเทียบ TURN ON FAST SERIES IGBT STACK และแรงดันสูง RATED พาณิชย์ IGBTs
บทคัดย่อ
ไฟฟ้าแรงสูงสวิทช์จัดอันดับของรัฐที่มั่นคงเช่นฉนวนประตูทรานซิสเตอร์สองขั้ว (IGBTs) จะใช้ได้ในเชิงพาณิชย์ได้ถึง 6.5 กิโลโวลต์ การจัดอันดับแรงดันไฟฟ้าดังกล่าวเป็นที่น่าสนใจสำหรับการใช้พลังงานชีพจรและการประยุกต์ใช้แปลงสลับโหมด อย่างไรก็ตามในขณะที่แรงดันไฟฟ้าที่เพิ่มขึ้นของการจัดอันดับ IGBT อัตราการเพิ่มขึ้นในปัจจุบันและฤดูใบไม้ร่วงจะลดลงโดยทั่วไป การออกนี้เป็นเรื่องยากที่จะหลีกเลี่ยงการเป็น IGBTs ต้องรักษาความต้านทานต่ำ n-epitaxial หรือดริฟท์ชั้นภูมิภาค สำหรับ IGBTs จัดอันดับแรงดันสูงกับภูมิภาคลอยหนาความเข้มข้นสูงที่ผู้ให้บริการจะฉีดที่เปิดเครื่องขึ้นและลบออกที่เปิดปิดซึ่งช้าความเร็วในการเปลี่ยน ตัวเลือกสำหรับการสลับเร็วขึ้นเป็นหลายชุดแรงดันไฟฟ้าที่ต่ำกว่าจัดอันดับ IGBTs สแต็คที่กำหนดเอง IGBT ที่มีหก 1200 V จัดอันดับ IGBTs ในซีรีส์ได้รับการทดสอบทดลอง หก seriesed สแต็ค IGBT ประกอบด้วยบุคคลที่แยกแสงไดรเวอร์ประตูและแผ่นอลูมิเนียมสำหรับการระบายความร้อนอากาศเย็นบังคับซึ่งส่งผลให้ในแพคเกจที่มีขนาดกะทัดรัด IGBT แต่ละไฟแรงดันสูงการป้องกันโดย suppressors แรงดันไฟฟ้าชั่วคราว.
เปิดในเวลาที่เพิ่มขึ้นในปัจจุบันในหกชุดสแต็คและ IGBT เดียว 6.5 กิโลโวลต์จัดอันดับ IGBT ได้รับการวัดการทดลองในชีพจรทานโหลดวงจรการปล่อยประจุ สแต็ค IGBT ยังได้รับเมื่อเทียบกับสองสแต็ค IGBT seriesed แต่ละอันดับที่ 3.3 กิโลโวลต์ในการสลับการประยุกต์ใช้วงจรเพิ่มที่ 9 เฮิร์ทซ์และการส่งออกของ 5 กิโลโวลต์ IGBT หกชุดผลการสแต็คในประสิทธิภาพการใช้พลังงานเครื่องปรับตัวดีขึ้นอย่างมีนัยสำคัญเนื่องจากหางปัจจุบันที่ลดลงในช่วงเปิดปิด พารามิเตอร์การทดสอบทดลองและผลการทดสอบเปรียบเทียบจะกล่าวถึงในบทความต่อไปนี้.
I. บทนำ
IGBT ได้ค้างรับความสำเร็จเป็นพลังงานที่สูงอุปกรณ์เปลี่ยนสถานะของแข็งเนื่องจากการรวมกันของการเปลี่ยนอย่างรวดเร็ว, การสูญเสียการนำต่ำและควบคุมประตูความต้านทานสูง แต่มีจะเป็นความต้องการยึดมั่นสำหรับอุปกรณ์ที่มีประสิทธิภาพสูง ผู้ผลิตจึงมีแรงจูงใจในการพัฒนาสวิทช์ที่มีการประเมินการขยายแรงดันและความสามารถในการดำเนินการในปัจจุบัน ปัจจุบันในเชิงพาณิชย์ออก -the-shelf (COTS) IGBTs ไฟฟ้าแรงสูงได้ประสบความสำเร็จการจัดอันดับได้ถึง 6.5 กิโลโวลต์จากผู้ผลิตหลาย ๆ แรงดันสูง (> 1200 V) IGBTs มีขายกันทั่วไปว่าเป็นโมดูลที่มีการประเมินจาก 200 กว่า 2000 มุ่งเป้าไปที่ motorcontrol และการประยุกต์ใช้การลาก.
เพิ่มการจัดอันดับแรงดันไฟฟ้าของ IGBTs ทั่วไปลดเปิดและเปิดปิด di / dt และการเพิ่มขึ้น การสูญเสียการสลับ [1] สำหรับระบบที่ต้องการเปลี่ยนความถี่ที่สูงขึ้นเช่นอุปกรณ์ไฟฟ้าโหมดสวิทช์ไฟฟ้าแรงสูง (SMPS) และการประยุกต์ใช้พลังงานชีพจรเปลี่ยนอย่างรวดเร็วเป็นสิ่งจำเป็นต่อการปฏิบัติงานของระบบที่มีการเปิดต่ำตามมาและเปิดปิดการสูญเสีย เช่นการตรวจสอบโครงสร้างของอุปกรณ์โดยธรรมชาติเป็นสิ่งสำคัญในการทำความเข้าใจกลไกการสูญเสีย.
IGBT สามารถจำลองเป็น MOSFET ควบคุม BJT ในการชกที่ไม่ผ่าน (NPT) IGBT, PNP บีเจทีจะเกิดขึ้นกับพี + ชั้นเจือเพิ่มให้กับนักสะสม MOSFET โครงสร้างพื้นฐาน ส่วนบีเจทีช่วยให้การปรับในการนำ epitaxial เจือเบา ๆ ละลายหรือชั้นลอยภูมิภาคด้วยการฉีดของ holesfrom สะสม + p ภูมิภาคดริฟท์สนับสนุนกลุ่มภูมิภาคการสูญเสียในช่วงปิดของรัฐและก่อให้เกิดความต้านทานในช่วงที่อยู่ในรัฐ [2] ในฐานะที่เป็นแรงดันกำลังการผลิตเพิ่มขึ้น IGBT ความหนาของภูมิภาคดริฟท์โดยทั่วไปเพิ่มขึ้นและต้องมีความยาวแพร่ ambipolar ลึกในระดับสูงสำหรับการฉีดเข้มข้นเพียงพอที่ผู้ให้บริการทั่วภูมิภาคดริฟท์ทั้งหมด [3] ดังนั้นผู้ให้บริการมีความเข้มข้นสูงที่มีอยู่ในภูมิภาคดริฟท์สำหรับ IGBTs ไฟฟ้าแรงสูง เป็นผลให้การฉีดและการรวมตัวกันอีกจำนวนมากจะส่งผลให้ค่าใช้จ่ายในอัตราที่ชะลอตัวลงในปัจจุบันของการเปลี่ยนแปลงที่เปิดและปิด.
รุ่นล่าสุดของ IGBT ออกแบบเช่นรวดเร็วครบวงจรหรืออ่อน / แสงเทคโนโลยีเจาะผ่านช่วยลดการสูญเสียเมื่อเทียบ การจัดอันดับการออกแบบที่คล้ายกัน NPT [3-5] การออกแบบเหล่านี้ใช้โปรไฟล์ยาสลบขั้นสูงที่เพิ่มชนิด n บางชั้นบัฟเฟอร์เจืออยู่ติดกับยาอย่างหนัก + p สะสม ชั้นบัฟเฟอร์นี้ต้องการให้ไปข้างหน้าบนของรัฐที่แรงดันไฟฟ้าในระหว่างการนำและช่วยให้ภูมิภาคดริฟท์ทินเนอร์เพื่อลดการสูญเสียการเปลี่ยน นอกจากนี้ใหม่สลักประตูออกแบบ IGBT ได้รับการแสดงเพื่อลดแรงดันไฟฟ้าในรัฐเมื่อเทียบกับระนาบ DMOS โครงสร้างประตูโดยการลดความต้านทานในส่วนของรัฐใน MOSFET [4-6] เทคโนโลยีเหล่านี้ถูกว่าจ้างในที่ผ่านมา 6.5 กิโลโวลต์ COTS จัดอันดับ, IGBTs ออกแบบมาสำหรับการใช้งานอุตสาหกรรมและเชิงพาณิชย์ขรุขระ ทางเลือกในการ COTS ไฟฟ้าแรงสูง IGBTs คือการรวบรวมสแต็คของแรงดันไฟฟ้าที่ต่ำกว่าการจัดอันดับ, IGBTs ในซีรีส์ ในทางทฤษฎีสแต็คของ IGBTs จะเปลี่ยนคล้ายกับแต่ละบุคคล IGBT 7.2 กิโลโวลต์สวิทช์จัดอันดับได้รับการสร้างขึ้นโดยใช้หก 1200 V จัดอันดับ IGBTs ในซีรีส์ การออกแบบสแต็ค IGBT นี้จะแบ่งกำลังการผลิตรวมของแรงดันไฟฟ้าในหมู่หก IGBTs และกำจัดภูมิภาคดริฟท์ขนาดใหญ่เพื่อรองรับการออกแรงดันไฟฟ้าของรัฐ ดังนั้นการเปลี่ยนเร็วขึ้นจะประสบความสำเร็จ หกทำงานแบบสลับสแต็ค IGBT เมื่อเทียบทดลองเพื่อ IGBT เดียว 6.5 กิโลโวลต์ในการยิงคนเดียวชีพจรการประยุกต์ใช้โหลดตัวต้านทานและสอง 3.3 กิโลโวลต์ IGBTs ในซีรีส์ในการส่งออก 5 กิโลโวลต์ DC เพิ่มวงจรแปลงการดำเนินงาน ณ วันที่ 9 kHz.
ครั้งที่สอง การออกแบบของ STACK IGBT
มหาวิทยาลัยมิสซูรีโคลัมเบียและ Loree
วิศวกรรมได้รับการออกแบบและสร้างที่กำหนดเอง IGBT
สแต็คสำหรับ 5 กิโลโวลต์ซี 1 กิโลวัตต์แปลงเพิ่มการส่งออกเป็น
หลักประยุกต์ใช้ในการออกแบบ อย่างไรก็ตามสแต็คของ
ความสามารถในการเปลี่ยนยังยืมตัวเองรวมทั้งชีพจร
สวิตช์ไฟของรัฐที่มั่นคงที่จะสามารถ modularized
สำหรับแรงดันไฟฟ้าที่สูงขึ้นหรือความสามารถในปัจจุบัน ลักษณะ.
สวิทช์สำหรับการใช้งานพลังงานชีพจรโหลดความต้านทาน
การทดสอบการเต้นของชีพจรถูกนำมาใช้ในการกำหนด turnon สแต็คของ
เวลา.
สแต็ค IGBT ใช้หก International Rectifier (IRF) IGBTs IRGP30B120KD-E จัดอันดับที่ 1200 V และ 60 อย่างต่อเนื่องในปัจจุบัน นี่คือ IGBT IGBT ประเภท NPT ในแพคเกจ TO-247AD ประเภท NPT IGBTs ได้รับการแสดงให้เห็นว่าเกือบที่เหมาะสำหรับการประกอบสแต็คซีรีส์ [7] สแต็คในทางทฤษฎีสามารถจัดการ 120 พัลส์เดียวยิงตามการจัดอันดับของแผ่นข้อมูล IRF สแต็ค IGBT แสดงอยู่ด้านล่างในรูปที่ 1 แต่ละสัญญาณประตู IGBT จะถูกส่งผ่านใยแก้วนำแสงเข้าประตูแยกแต่ละบอร์ดขับ IGBT ที่มีการเชื่อมต่อ คณะกรรมการควบคุมประตูแต่ละ 15 V สำหรับเปิดเครื่องขึ้นและ 0 V สำหรับเปิดปิดต้านทานผ่านประตู 4.7 คิวในชุดที่มีประตู.
พลังงานและสัญญาณทริกเกอร์แสงจะถูกส่งไปหก IGBTs ในกองจากทุ่มเท เครื่องอำนาจและโมดูลทริกเกอร์ที่ฐาน สแต็คต้องมีระดับ TTL เรียกเข้าและ 12 V ไฟ DC จากฐานวงเดียวของสายจะถูกป้อนผ่านแกนหม้อแปลงในแต่ละประตูคณะกรรมการควบคุมและให้หลักหนึ่งหันคดเคี้ยวสำหรับหม้อแปลงแยกของคณะกรรมการแต่ละ.
ระบายความร้อนสำหรับ IGBT แต่ละแผ่นอลูมิเนียมสีแบน (วัด 5.15 "x 3" x 0.1875 ") 0.5" มุมโค้งมนรัศมีและ 3/32 "ขอบโค้งมน. กระจายอำนาจสูงสุดต่อ IGBT ได้รับการคาดว่าจะอยู่ที่ 30 W ต่อ IGBT หรือ 180 W รวมที่มีประมาณ 100-200 CFM ไหลเวียนของอากาศที่ 25 ° C. คูลลิ่งสามารถให้บริการโดยบังคับอากาศระหว่าง sinks ความร้อนสำหรับการไหลข้ามแนวนอน. การออกแบบสวิทช์ในขณะนี้ถือว่าการดำเนินงานในสภาพแวดล้อมที่มีการควบคุมในห้องปฏิบัติการ. IGBTs ไม่ได้แยกจากกันอลูมิเนียมแผ่นระบายความร้อนเพื่อให้แผ่นทำหน้าที่เป็น สะสมและรายชื่ออีซีแอล.
IGBT แต่ละแรงดันไฟฟ้าที่มีการป้องกันโดยหก suppressors แรงดันไฟฟ้าชั่วคราว (TVS) ไดโอดในซีรีส์. หกไดโอดในขีด จำกัด ของแต่ละชุดแรงดันสะสม-อีซีแอล IGBT 1200 โวลต์นี้วิธีง่ายๆในการป้องกันแรงดันไฟฟ้าป้องกันไม่ให้มากกว่าแรงดันของ IGBT ที่อาจสลับแบบไม่สมมาตร. รูปที่ 1 ประกอบสแต็ค IGBT ตั้งอยู่ด้านล่างสวิทช์สแต็คเป็นเครื่องอำนาจและทริกเกอร์โมดูลอินพุท. ที่สาม ผลการทดลองการวิเคราะห์การทดลองต่อไปนี้แสดงให้เห็นถึงประสิทธิภาพการทำงานที่เปลี่ยนของสแต็ค IGBT ในสองระบบที่แยกจากกัน หนึ่งคือวงจรโหลดความต้านทานพัลที่ได้รับการออกแบบมาเพื่อให้การวัด risetime ปัจจุบันในระหว่างการเปิดเครื่องขึ้นของสแต็ค IGBT วงจรที่สองเป็นแปลงเพิ่มโดยความเร็วในการเปิดปิดและการสูญเสียพลังงานของสแต็ค IGBT ที่มีการยืนยันการทดลองสำหรับการใช้พลังงานสลับโหมดการใช้งานอุปทาน. เอ Pulsed โหลด Resistive เปิดในวงจรโหลดความต้านทานชีพจรแสดงอยู่ด้านล่างในรูปที่ 2 ในวงจรนี้สอง 5 ตัวเก็บประจุ RF จะประกอบในซีรีส์ที่จะบรรลุทั้งหมด 2.5 RF ของความจุที่เป็นค่าใช้จ่าย 5 กิโลโวลต์ เหนี่ยวนำวงจรไม่ได้วัดได้อย่างถูกต้อง แต่การเหนี่ยวนำวงรวมประมาณจะอยู่ที่ประมาณ 500 nH ความต้านทานโหลด 357 คิวทำจากสองตัวต้านทานน้ำคอปเปอร์ซัลเฟตในแบบคู่ขนาน 14 สูงสุดในปัจจุบัน ความกว้างของคลื่นถูกกำหนดโดยพล 10.5 GS และเวลาที่เปิดเครื่องขึ้นของอุปกรณ์วัด เปิดเครื่องขึ้นรูปแบบของคลื่นแสดงอยู่ด้านล่างในรูปที่ 3 risetime 10-90% ของกอง IGBT ภายใต้เงื่อนไขการทดสอบเป็น 52.4 ns การ การตรวจสอบแรงดันไฟฟ้าที่วางอยู่ตรงข้ามสแต็ค IGBT ในระหว่างการตรวจวัดเพื่อขจัดผลกระทบอุปนัย. Figur 2. Pulsedresistiveloa รูปที่ 3 กอง IGBT เปิดในเวลา 52.3 ns การกับจุดสูงสุดในปัจจุบันของ 14 เอสแต็ค IGBT เมื่อเทียบกับ 6.5 กิโลโวลต์เดียวโมดูล IGBT จัดอันดับผลิต พ.ศ. EUPEC (FZ200R65KF1) โมดูลนี้ถูกจัดอันดับที่ 200 และใช้เทคโนโลยีได้อย่างรวดเร็วครบวงจรด้วยเทคโนโลยีประตูสลัก ประตูคนขับใช้แรงดันไฟฟ้าที่ประตูของอีซีแอล± 15 V โดยไม่ต้องต้านทานประตูภายนอก ปัจจุบันประตูพีคจะอยู่ที่ประมาณ 9.9 A. risetime ของ IGBT EUPEC จะแสดงในรูปที่ 4 risetime 10-90% ได้รับการวัดที่จะเป็น 179.2 NS. รูปที่ 4 IGBT 6.5 กิโลโวลต์เทิร์นในเวลาเป็น 179.2 ns การด้วย สูงสุดในปัจจุบันที่ 14 เอเอ เพิ่ม Converter เปิดปิดวงจรแปลงเพิ่มง่ายได้รับการออกแบบและประดิษฐ์เพื่อทดสอบประสิทธิภาพของสแต็ค IGBT และอุปกรณ์ไฟฟ้าแรงสูง (NPT Dynex IGBTs (DIM200PHM33). แปลงเพิ่มก้าวขึ้นบันได 500 V ถึง 5 กิโลโวลต์ข้ามโหลดความต้านทาน . วงจรวงจรง่ายจะมีการแสดงในรูป

Results (Thai) 3:

การวิเคราะห์และการเปรียบเทียบการเปิดอย่างรวดเร็วในชุด IGBT สแต็คและแรงดันสูงแรงดันสูงในเชิงพาณิชย์ igbts

มีสวิตช์ของนามธรรม เช่น ฉนวนประตูไบโพลาร์ทรานซิสเตอร์ ( igbts ) ที่มีอยู่ในเชิงพาณิชย์ได้ถึง 6.5 กิโล . การจัดอันดับแรงดันไฟฟ้าเช่นมีเสน่ห์อำนาจและสลับโหมดแปลงโปรแกรม แต่เป็น IGBT แรงดันคะแนนเพิ่มอัตราการเพิ่มขึ้นในปัจจุบัน และล้มลง โดยทั่วไปจะลดลง อัน นี้เป็นเรื่องยากที่จะหลีกเลี่ยงการเป็น igbts ต้องรักษาความต้านทานต่ำใน n-epitaxial หรือลอยชั้นขอบเขต แรงดันสูงการจัดอันดับ igbts กับภูมิภาคลอยหนา ผู้ให้บริการที่ความเข้มข้นสูงจะฉีดที่ออกในเปิด และปิด ซึ่งช้าสลับเร็ว ตัวเลือกสำหรับการได้เร็วขึ้น สลับกับชุดหลายแรงดันลดคะแนน igbts . ที่กำหนดเอง IGBT กองกับหก , 1200 V จัดอันดับ igbts ในชุดมีการทดลองทดสอบ 6 seriesed IGBT แต่ละกองประกอบด้วยแยก optically , ประตูอลูมิเนียมแผ่นไดรเวอร์และความบังคับอากาศเย็นซึ่งผลลัพธ์ในแพคเกจขนาดกะทัดรัด แต่ละ IGBT เป็นแรงดันป้องกันโดย suppressors แรงดันไฟฟ้าชั่วคราว
การเปิด ปัจจุบันขึ้นเวลาของหกชุด IGBT สแต็คและซิงเกิ้ล 6.5 กิโลใน IGBT ได้รับโดยวัดในพัลโหลดตัวต้านทานตัวเก็บประจุปลดวงจร และยังได้รับการเปรียบเทียบกับ IGBT กองสองกอง seriesed IGBT แต่ละสูงสุดที่ 3.3 KV ในวงจรเพิ่มโปรแกรมสลับที่ 9 kHz และส่งออก 5 KV .หกชุด IGBT กองผลในประสิทธิภาพพลังงานปรับเพิ่มขึ้นเนื่องจากการลดลงในช่วงปัจจุบัน หางปิด ตัวแปรทดลอง ทดสอบ และผลของการเปรียบเทียบการทดสอบจะถูกกล่าวถึงในบทความต่อไปนี้

ผมแนะนำ IGBT มีค้างความสำเร็จเป็นพลังงานสูงของแข็งเปลี่ยนอุปกรณ์เนื่องจากการรวมกันของด่วนเปลี่ยนลดการนำความร้อนต่ำ และควบคุมประตูอิมพีแดนซ์สูง อย่างไรก็ตาม จะมีการเรียกร้องอย่างต่อเนื่องสำหรับประสิทธิภาพสูงอุปกรณ์ ผู้ผลิตจึงมีแรงจูงใจที่จะพัฒนาขยายแรงดันไฟฟ้าสลับกับการจัดอันดับ และแบกความสามารถในปัจจุบัน ในปัจจุบันการค้าปิดการเก็บรักษา ( เตียง ) igbts ไฟฟ้าแรงสูงได้รับเรตติ้งได้ถึง 6.5 กิโลจากผู้ผลิตหลายแรงดันสูง ( > 1 , 200 V ) igbts มักขายเป็นโมดูลที่มีการจัดอันดับจาก 200 กว่า 2000 คน มุ่ง motorcontrol และการใช้งานลาก
เพิ่มแรงดันโดยทั่วไปลดเครดิตของ igbts เปิด และปิด DT ตี้ / และเพิ่มการสูญเสีย [ 1 ]สำหรับระบบที่ต้องใช้แรงดันสูงความถี่สูง เช่น เปลี่ยนสลับโหมดเพาเวอร์ซัพพลาย ( SMPS ) และการประยุกต์ใช้พลังงานชีพจรเต้นเร็ว , เปลี่ยนเป็นสิ่งจำเป็นเพื่อประสิทธิภาพของระบบเปิดและปิดต่ำตามมาด้วยการสูญเสีย เช่น การตรวจสอบโครงสร้างของอุปกรณ์ที่มีอยู่เป็นสิ่งสำคัญที่จะเข้าใจ
สูญเสียกลไก