О возможности снижения потерь энергии при выключении высоковольтных IGBT-приборов и ее схемотехническая энергоэффективность

Abstract

RU: Статья посвящена исследованию проблемы коммутационных потерь в IGBT-модулях. Показано, что основными препятствиями на пути дальнейшего увеличения частоты переключений IGBT являются значительная величина «хвостового тока» и динамических потерь включения и выключения. Обоснована возможность снижения величины «хвостового тока» и динамических потерь выключения за счет профилирования структуры полупроводникового прибора путем протонного облучения. Протонное облучение IGBT позволяет создать большую концентрацию дырок вблизи коллектора, оставляя остальную структуру кристалла без изменений. При этом потери выключения снижаются в 2 раза. Дальнейшее снижение динамических потерь становится возможным благодаря введению в силовую схему четырехквадрантного IGBT- ключа коммутирующего (снабберного) транзистора. Представленная структура позволяет разгрузить основные силовые транзисторы и уменьшить тем самым динамические потери выключения. Предварительная оценка показывает, что тепловая нагрузка на такой модуль снижается на 25% по сравнению со стандартными IGBT. Такие приборы могут быть использованы на дизель- и электропоездах нового поколения.

UK: Стаття присвячена дослідженню проблеми комутаційних втрат в модулях IGBT Показано, що основними перепонами на шляху подальшого збільшення частот переключень IGBT є значні величини «хвостового струму» та динамічних втрат вмикання та вимикання. Обґрунтовано можливість зниження величин «хвостового струму» та динамічних втрат при вимиканні за рахунок профілювання структури напівпровідникового приладу шляхом протонного опромінення. Протонне опромінення дозволяє створити більшу концентрацію дірок поблизу колектора, залишаючи інші частини структури кристалу без змін. При цьому динамічні втрати при вимкненні зменшуються у 2 рази. Подальше зниження рівня динамічних втрат є можливим за рахунок введення до силової схеми чотириквадрантного IGBT-ключа комутаційного (снаберного) транзистора. Представлена структура дозволить розвантажити основні силові транзистори і тим самим знизити динамічні втрати вимикання. Попередня оцінка показує, що теплове навантаження на такий модуль є на 25% нижчим, ніж на стандартний IGBT. У подальшому такі прибори можуть бути використані на дизель- та електропоїздах нового покоління.

EN: Article is devoted researching of a problem of switching losses in IGBT modules. It is shown that the main obstacles in a way of further increasing in frequency of switchings of IGBT are the considerable size of "tail current" and dynamic losses of inclusion and switching off. The possibility of decrease in size of "tail current" and dynamic losses of switching off due to profiling of structure of the semiconductor device by proton radiation is proved. Proton radiation of IGBT allows to create big concentration of holes near a collector, leaving other structure of a crystal without changes. At the same time losses of switching off decrease twice. Further decrease in dynamic losses becomes possible thanks to introduction to the power scheme of a four-quadrant IGBT key of the switching (snubber) transistor. The presented structure allows to unload the main power transistors and to reduce thereby dynamic losses of switching off. The preliminary estimate shows that thermal load of such module decreases by 25% in comparison with standard IGBT. Such devices can be used on the diesel- and electric trains of new generation.