Blog dell'azienda Infineon IKW25N120T2 1200V 25A Transistor IGBT con diodo anti-parallelo

Shenzhen Mingjiada Electronics Co., Ltd. fornisce l'InfineonIKW25N120T2Transistor IGBT da 25 A a 1200 V con diodo anti-parallelo.

Io.IKW25N120T2Modello e posizionamento del prodotto

L'IKW25N120T2 è un IGBT mono-transistor 1200V/25A della serie TRENCHSTOP di seconda generazione (T2) di Infineon.che integra il chip IGBT con un soft-recovery, diodo controllato da emettitore a recupero rapido all'interno di un unico imballaggio in plastica PG-TO-247-3, con il codice di ordine IKW25N120T2FKSA1 e il marchio silkscreen K25T1202.

La designazione del modello indica chiaramente le specifiche: IK indica un IGBT con un diodo anti-parallelo (mentre una designazione che inizia con IG indica un IGBT a singolo chip senza diodo);“W” sta per il pacchetto TO-247; 25 indica una corrente nominale del collettore di 25 A a una temperatura di 100 °C; 120 indica una tensione nominale di 1200 V; T2 si riferisce alla piattaforma TRENCHSTOP di seconda generazione;con tecnologia a chip derivata dalla struttura di fermo campo trench-gate dell'IGBT (IGBT4) di quarta generazione di InfineonIl suo intervallo di frequenza di commutazione raccomandato ufficialmente è da 2 kHz a 20 kHz;è posizionato come un dispositivo di "hard switching" a bassa frequenza che dà la priorità alle perdite di conduzione tenendo conto anche delle perdite di commutazione, che completa la serie H3, progettata per il funzionamento ad alta frequenza.

II. Piattaforma tecnica e caratteristiche strutturaliIKW25N120T2

Al centro di questo dispositivo si trova una struttura composita composta da un cancello di trincea e da una fermata di campo.aumento della densità cellulare e della transconduttanza; lo strato di fermo di campo forma un tampone all'estremità posteriore della regione di deriva, consentendo di produrre il chip più sottile mantenendo una tensione di rottura di 1200 V,riducendo così contemporaneamente la caduta della tensione di saturazione e la corrente di spegnimentoRispetto ai precedenti IGBT a cancello planare, questa generazione offre miglioramenti nelle caratteristiche statiche e dinamiche, piuttosto che semplicemente scambiare perdite in stato per perdite di commutazione.

Il diodo anti-parallelo utilizza una progettazione ad alta efficienza (HE) controllata dall'emettitore, caratterizzata da una forma d'onda di recupero molto morbida e da una carica di recupero controllabile.Questo sopprime il picco di corrente di recupero inverso del diodo nel momento in cui l'IGBT si accende, riducendo così le perdite di accensione e l'IME.l'IGBT e il suo diodo sono progettati e adattati dallo stesso produttore per adattarsi alla stessa area del chipGli utenti non devono scegliere da soli un diodo discreto a recupero rapido, risparmiando spazio e costi evitando al contempo errori di non corrispondenza.

III. Parametri statici chiave delIKW25N120T2

La tensione del collettore/emettitore (VCE) è di 1200 V (misurata a VGE = 0 V e IC = 500 μA); la tensione massima del cancello/emettitore è di ±20 V; il range di temperatura di funzionamento della giunzione è compreso tra −40 °C e +175 °C;e il range di temperatura di conservazione è compreso tra −55 °C e +150 °C.

La capacità di corrente è suddivisa in due livelli: una corrente del collettore a corrente continua di 50 A a una temperatura di cassa (TC) di 25 °C, che scende a 25 A a TC = 110 °C; questo spiega l'origine della notazione 25 A;La corrente del collettore pulsato ICPuls è di 100 A (limitata da Tjmax), mentre l'area di funzionamento sicura (SOA) per la spegnimento è anche 100 A (VCE ≤ 1200 V, Tj ≤ 175 °C).

La caduta di tensione di saturazione VCEsat, in condizioni di VGE = 15 V e IC = 25 A, è tipicamente di 1,7 V a 25 °C (massimo 2,2 V), tipicamente di 2,1 V a 150 °C e tipicamente di 2,2 V a 175 °C.Queste cifre si trovano sul lato inferiore per la classe 1200 V/25 A, che riflette direttamente il punto di vendita della piattaforma T2 del VCEsat.la caduta di tensione aumenta piuttosto che diminuire ad alte temperatureQuando più dispositivi sono collegati in parallelo, la corrente è naturalmente equilibrata, evitando la fuga termica causata da singoli dispositivi.il costruttore elenca esplicitamente “facile parallelizzazione” come caratteristica.

Altri parametri statici: la tensione di soglia del cancello VGEth è di 5,2 V / 5,8 V / 6,4 V (minimo / tipico / massimo) e la transconduttanza gfs è tipicamente di 13,5 S (VCE = 20 V, IC = 25 A).Questa ampia distribuzione delle tensioni di soglia significa che il dispositivo non è direttamente compatibile con i driver di livello logico (come 3.3 V o 5 V); deve essere utilizzato un driver IGBT dedicato con una tensione di accensione di +15 V. La corrente ICES di perdita di tensione a porta zero è di circa 0,4 mA a 25 °C e 1.200 V, di circa 4 mA a 150 °C,e può raggiungere i 20 mA a 175 °C; le perdite di blocco ad alta temperatura devono essere prese in considerazione in standby ad alta tensione o in ambienti ad alta temperatura e non possono essere stimate utilizzando valori per le temperature normali.

La caduta di tensione in avanti (VF) del diodo è in genere di 1,65 V a 25 °C e di 1,7 V a 150 °C quando IF = 25 A, con un massimo di 2,2 V.

IV. Parametri dinamici e perdite di commutazioneIKW25N120T2

La capacità di ingresso Ciss è di 1600 pF, la capacità di uscita Coss è di 155 pF e la capacità di trasferimento inverso Crss è di 90 pF (VCE = 25 V, VGE = 0 V, 1 MHz); la carica del gate QGate è di 120 nC (VCC = 960 V,IC = 25 AQuesta serie di dati determina la potenza di azionamento: stimata utilizzando la formula Qg × ΔVGE × fsw, la potenza di azionamento del cancello a 10 kHz è di circa 0,12 μC × 23 V × 10 k, ≈ 28 mW.Il carico sul conducente stesso è molto leggeroLa sfida principale risiede nella falsa attivazione causata dal dv/dt della capacità Miller, piuttosto che nell'insufficiente potenza motrice.

In condizioni di prova con carico induttivo, VCC = 600 V, IC = 25 A, VGE = 0/15 V e RG = 16,4 Ω, le caratteristiche di commutazione a 25 °C sono le seguenti: ritardo di accensione td (on) 27 ns,tempo di risalita tr 20 ns, ritardo di spegnimento td (spento) 265 ns, tempo di caduta tf 95 ns, energia di accensione Eon 1,55 mJ, energia di spegnimento Eoff 1,35 mJ e energia di commutazione totale Ets 2,9 mJ; a 175 °C, td (spento) è 25 ns, tr è 24 ns,td (spento) è 340 ns, tf è 164 ns, Eon 2,25 mJ, Eoff 2,05 mJ, Ets 4,3 mJ.

L'aspetto più notevole di questo insieme di dati è l'effetto della temperatura: mentre i parametri di accensione rimangono praticamente invariati, i parametri di spegnimento si deteriorano significativamente,con tf in aumento da 95 ns a 164 ns e Eoff in aumento di circa il 52%. ciò è dovuto all'aumento della corrente di coda a temperature elevate, caratteristica comune di tutti gli IGBT. di conseguenza i calcoli di progettazione termica non devono basarsi sul valore Eoff a 25°C;deve essere applicato un margine di sicurezza utilizzando valori per 125°C o 175°C, altrimenti l'aumento effettivo della temperatura supererà le aspettative.quando si utilizzano gli Ets per la stima a livello di sistema, non aggiungere la perdita Qrr separatamente per evitare il doppio conteggio.

Basandosi su un Ets di 4,3 mJ a 175 °C, le perdite di commutazione sono di circa 43 W a 10 kHz e di circa 86 W a 20 kHz;Questo spiega perché il costruttore ha fissato il limite superiore a 20 kHz a frequenze più elevate, le perdite di commutazione eroderebbero rapidamente i guadagni di efficienza, che allora rientrerebbero nel campo dei dispositivi H3 o IGBT7.

V. Dettagli dellaIKW25N120T2diodi antiparalleli

Il tempo di recupero inverso del diodo (trr) in condizioni di VR = 600 V, IF = 25 A e diF/dt ≈ 1050 A/μs è di 195 ns a 25 °C e 290 ns a 175 °C; la carica di recupero inverso (Qrr) è di 2.05 μC a 25 °C e 3.65 μC a 175 °C; la corrente di recupero inversa massima (Irrm) è di 20 A a 25 °C e 24 A a 175 °C; la pendenza di decadimento della corrente di recupero (dirr/dt) è di 475 A/μs a 25 °C e 330 A/μs a 175 °C.

Il carattere "morbido" di questo insieme di dati si riflette nel dirr/dt relativamente delicato, che rallenta ulteriormente ad alte temperature; il processo di recupero non presenta un forte calo di corrente,e quindi non induce grandi picchi di tensione attraverso l'induttanza parassitaria del bus, che si traduce in buone prestazioni EMI. Il compromesso è un Qrr relativamente elevato (3,65 μC a 175°C); in un braccio di ponte a commutazione dura a 20 kHz,Le perdite di recupero dei diodi rappresenteranno una parte significativa delle perdite totali.Il compromesso di ingegneria è il seguente: se l'applicazione dà la priorità a basso rumore, picchi di tensione bassi e affidabilità complessiva del sistema, questa combinazione di recupero morbido è adatta;se l'obiettivo è quello di raggiungere la massima efficienza ad alta frequenza possibile, si dovrebbero invece utilizzare diodi con tempi di recupero più rapidi, come quelli compatibili con l'H3 o l'IGBT7.

VI.IKW25N120T2Capacità di cortocircuito e zona di funzionamento sicura

Il tempo di resistenza al cortocircuito (tSC) è di 10 μs, in condizioni di prova di VGE = 15 V, VCC ≤ 600 V e una temperatura iniziale di giunzione di 175 °C;viene specificato che il numero di cicli di cortocircuito deve essere inferiore a 1,000, con un intervallo di più di 1 s tra ogni evento di cortocircuito. Per quanto riguarda la corrente di cortocircuito, in condizioni di VGE = 15 V, VCC = 600 V e tSC ≤ 10 μs,la corrente tipica di cortocircuito è di 150 A a una temperatura di giunzione iniziale di 25 °C e di 115 A a una temperatura di giunzione iniziale di 175 °C, che è circa da 4,6 a 6 volte la corrente nominale.

La finestra di 10 μs impone requisiti chiari per la progettazione della protezione: il tempo di desaturazione per il rilevamento della desaturazione deve essere inferiore a 10 μs,e la pendenza di chiusura morbida deve essere sufficientemente delicata per impedire che il di/dt al momento dello spegnimento induca sovratensione attraverso l'induttanza errante e provochi un guastoUn cortocircuito di durata superiore a 10 μs porterà inevitabilmente a un guasto; pertanto non si tratta di una protezione facoltativa, ma di un requisito obbligatorio.Va inoltre notato che a una temperatura di giunzione iniziale di 175°C, la corrente di cortocircuito diminuisce e la finestra diventa più stretta; pertanto, deve essere consentito un margine per la soglia di protezione in condizioni di funzionamento ad alta temperatura e con carico elevato.

VII. Progettazione termica e stima della dissipazione di potenza per ilIKW25N120T2

La resistenza termica Rthjc (IGBT) è di 0,43 K/W, la dioda Rthjc è di 0,81 K/W e la resistenza termica di giunzione-ambiente Rthja è di 40 K/W (senza dissipatore di calore, convezione naturale;solo a titolo di riferimento)A TC = 25 °C, la dissipazione totale di potenza Ptot è di 349 W, diminuendo linearmente con la temperatura della cassa.

Un calcolo approssimativo basato su condizioni di funzionamento tipiche di 25 A, 150 °C e 10 kHz: la perdita di conduzione è di circa 25 A × 2,1 V ≈ 52,5 W e la perdita di commutazione è di circa 2,9 a 4.3 mJ × 10 kHz ≈ da 29 a 43 WLa somma di questi è di circa 80 a 95 W. Supponendo un Rthjc di 0,43 K/W, la differenza di temperatura tra la giunzione e la sola cassa è di 35 a 41 K;se la temperatura della cassa è controllata a 80 °C, la temperatura di giunzione è già vicina a 120-125 °C, lasciando un po' di spazio prima del limite superiore di 175 °C, ma questo margine si ridurrà rapidamente a 20 kHz.Questo indica che il dispositivo è adatto per applicazioni che coinvolgono frequenze medie, correnti elevate e un dissipatore di calore ben progettato, piuttosto che costringere un piccolo dissipatore di calore a far fronte alle alte frequenze.

La resistenza termica del diodo è quasi il doppio di quella dell'IGBT (0,81 K/W); nei circuiti di ponte in cui il ciclo di lavoro a rotazione libera è elevato o il fattore di potenza è basso (ad es.componente ad alta potenza reattiva), la temperatura di giunzione del diodo può raggiungere il suo limite prima.non si deve basare esclusivamente sulla curva di resistenza termica per l'IGBT.

VIII. Principali considerazioni di progettazioneIKW25N120T2Configurazione del driver e parallela

Per il conducente del cancello è raccomandata una tensione di accensione di +15 V e una tensione di spegnimento di circa −8 V.Un bias di spegnimento negativo migliora significativamente la resistenza al falso innesco indotto da dv/dt, che è particolarmente importante per i dispositivi a 1200 V. I parametri di commutazione riportati nella scheda sono indicati per RG = 16,4 Ω; quando si seleziona una resistenza nella pratica,si possono effettuare aggiustamenti intorno a questo valore: l'aumento della RG riduce la di/dt e i picchi, e sopprime l'EMI, ma aumenta le perdite di commutazione; la diminuzione della RG ha l'effetto opposto.la resistenza sul lato di accensione non deve essere impostata troppo basso, altrimenti la corrente di recupero di picco e le oscillazioni aumenteranno.

La resistenza interna della porta RGint del pacchetto TO-247 è 0, il che significa che l'intera resistenza della porta è fornita esternamente, offrendo una notevole flessibilità di progettazione.Questo implica anche che non vi è ammortizzazione interna■ anche tracce di circuito di cancello leggermente più lunghe possono facilmente portare a oscillazioni.e impedire l'accoppiamento tra il circuito di alimentazione e il circuito del cancelloL'induttanza interna dell'emettitore (LE) è di circa 13 nH (misurata a 5 mm dalla cassa).questo valore limiterà la velocità di spegnimento e aumenterà i picchi di tensione; si tratta di un'area in cui per sopprimere tali effetti si dovrebbero utilizzare collegamenti Kelvin o busbar compatte durante la disposizione.

Per quanto riguarda il funzionamento parallelo, il coefficiente di temperatura positivo del VCEsat facilita naturalmente la condivisione della corrente statica, che viene ufficialmente denominata "parallelizzazione facile".due punti richiedono attenzione quando si fanno paralleli- in primo luogo, la diffusione da 5,2 a 6,4 V in VGEth causerà lievi variazioni nel tempo di accensione; la condivisione della corrente dinamica deve essere bilanciata utilizzando resistenze di porta indipendenti per ciascun dispositivo;dopo la parallelizzazione, il totale di Qg e Ciss aumenta esponenzialmente, quindi la corrente di picco del driver deve essere amplificata di conseguenza.

IX. Scenari tipici di applicazione per laIKW25N120T2

Date le sue specifiche di 1200 V, 25 A e da 2 a 20 kHz, questo dispositivo è più tipicamente utilizzato in:altri macchinari per la trasmissione di energia elettrica- le topologie a mezza ponte o a una sola estremità di media a bassa potenza nelle saldatrici ad arco e nel riscaldamento a induzione; le fasi connesse alla rete o fuori dalla rete a bassa potenza nei sistemi fotovoltaici e di stoccaggio dell'energia;di altezza superiore a 50 mm, ma non superiore a 150 mm■ e la potenza è di circa 1 kW nei motori a tre fasi.

Per le applicazioni in cui un raddrizzatore trifase da 380 V produce una tensione di bus di circa 540 V o in cui un'alimentazione monofase da 220 V è aumentata a un bus da 400 V, il margine fornito dal200 V resistenza alla tensione, combinato con la pinza RCD o il commutazione morbida, è sufficiente per gestire i picchi di spegnimento e le fluttuazioni della rete, qualcosa che i dispositivi di classe 600 V non possono ottenere.Se il bus funziona a 800 V o più per periodi prolungati, il margine di sovratensione deve essere rivalutato o si deve utilizzare un pacchetto a quattro pin con un emittente Kelvin per migliorare la protezione contro le sovratensioni di spegnimento.

Riassunto:IKW25N120T2è un IGBT 1200V/25A a interruttore rigido con un'applicazione chiaramente definita e un'eccellente coerenza dei parametri.• facile progettazione e controllo dei costi nella più ampia gamma di potenze industriali, da 2 a 20 kHz, grazie al suo basso calo di tensione di saturazione, diodi di abbinamento molto "morbidi", parallelità con coefficiente di temperatura positivo (PTC) e capacità di sopportare cortocircuiti di 10 μs.Distribuzione della resistenza termica e stato del ciclo di vita.