Moderní výkonové polovodičové prvky a jejich aplikační možnosti

Moderní výkonové polovodičové prvky a jejich aplikační možnosti

Ing. Jaroslav Novák, CSc.
ČVUT v Praze, Fakulta strojní, Odbor elektrotechniky spínacími ztrátami.

Článek se zabývá současným stavem a perspektivami využití prvků IGBT a IGCT, zejména v měničích středního a velkého výkonu. V úvodu je uveden stručný přehled základních principů IGBT a IGCT. Těžištěm článku je prezentace vlastností obou typů prvků z hlediska aplikací ve výkonových měničích a jejich porovnání.

1. Historický vývoj a současný stav využití výkonových polovodičových prvků

Prvek, který zahájil novou éru v koncepci výkonových měničů elektrické energie, byl výkonový tyristor. Výkonové tyristory se i v současnosti využívají zejména v řízených usměrňovačích a střídavých měničích napětí. Jsou k dispozici pro proudy řádově v hodnotách kiloampérů a napětí řádově v hodnotách kilovoltů.

Další široce využívanou součástkou je výkonová dioda. Byla využívána v usměrňovací technice již od 50. let dvacátého století. V dnešní době jsou k dispozici výkonové diody s napěťovými a proudovými hladinami obdobnými jako u tyristorů.

Nemožnost řízeného vypnutí tyristoru a možnost práce pouze při frekvencích do stovek hertzů byly důvodem, který nutil výrobce výkonových součástek k vývoji nových prvků. Zejména ve střídačích a pulsních měničích se začaly využívat výkonové bipolární tranzistory ve spínacím režimu pro proudy řádově stovek ampérů a napětí do 1 000 V. Kromě možnosti řízení vypnutí a možnosti práce při frekvencích do 20 kHz se však vyznačovaly malým proudovým zesilovacím činitelem (asi 10 až 20), což vyžadovalo složité řešení řídicích obvodů. Tato nevýhoda byla odstraněna díky vyvinutí výkonového tranzistoru řízeného polem (FET – Field Effect Transistor). Značnou nevýhodou obou uvedených prvků však byla možnost mnohem nižšího proudového a napěťového namáhání oproti tyristoru. V oblasti výkonových měničů menších výkonů (asi do 1 000 A a do 1 000 V) jsou ale v současnosti výkonové FET často využívány a jeví se pro tuto oblast jako nejperspektivnější součástka i do budoucna.

Pro měniče, kde je nutné použít vypínatelné prvky s parametry srovnatelnými s klasickým tyristorem nebo jen o málo horšími, byly vyvinuty tyristory označované GTO, které lze vypnout zásahem do řídicí elektrody. Součástky GTO dovolují značně zjednodušit konstrukci střídačů a pulsních měničů a používají se i v současnosti.

V současné době je ve výkonových měničích nejpoužívanějším prvkem IGBT – bipolární tranzistor s izolovanou řídicí elektrodou. IGBT ovládl oblast střídačů pro nízké napětí, ale vlivem neustále rostoucích parametrů těchto prvků se rychle rozšiřuje pole jejich využití i v měničích pro napětí nad 1 000 V (např. běžně v trakčních pohonech vozidel MHD, ale i v trakčních pohonech drážních vozidel s napětím 3 000 V). Díky výborným frekvenčním vlastnostem IGBT a díky neustálému vývoji směřujícímu ke zvyšování proudových a napěťových hladin lze v současnosti tento prvek považovat za velmi perspektivní pro výkonovou elektroniku.

Ve snaze odstranit nevýhody GTO byl vyvinut a v poslední době se v sériově vyráběných měničích začal osazovat nový prvek IGCT – tyristor řízený integrovanou řídicí elektrodou. Jedná se v podstatě o GTO s integrovanými obvody řídicí elektrody.

Nyní se začínají objevovat práce směřující k využití výkonových polovodičových součástek založených na SiC a GaN. Tato technologie dovoluje konstrukci součástek s podstatně redukovanými zapínacími a vypínacími časy. Součástky lze potom využívat v měničích pracujících se spínacími frekvencemi až 500 kHz. Zároveň se u těchto prvků výrazně redukuje hodnota spínacích ztrát.

V současné době jsou dostupné diody, FET a bipolární tranzistory na bázi SiC. Bipolární tranzistory SiC však mají proudový zesilovací činitel v hodnotě maximálně 5 až 7. Velké úsilí je zaměřeno na vývoj SiC IGBT.

Prvky SiC jsou k dispozici pro napětí do 5 kV a pro proudy do 10 A. Využití vysokých spínacích frekvencí najde uplatnění zřejmě jen v okrajové oblasti aplikací, neboť používání spínací frekvence řádu stovek kilohertzů by zřejmě přineslo u běžných měničů další problémy spojené s elektromagnetickou kompatibilitou atd. Perspektivní se jeví využití jmenovaných prvků při spínacích frekvencích běžných u měničů, avšak díky zkrácení spínacích procesů by měniče pracovaly s výrazně nižšími spínacími ztrátami.

Kromě oblasti fázově řízených měničů – usměrňovačů a střídavých měničů napětí, kde se používají klasické tyristory, a kromě pulsních měničů a střídačů pro nejnižší výkony, kde se jako nejperspektivnější prvek jeví FET, jsou v současnosti nejvíce používány IGBT nebo IGCT, popř. GTO. Tento trend bude zřejmě zachován i do budoucna. V návazném článku bude věnována pozornost právě prvkům IGBT a IGCT pro střídače a pulsní měniče.

2. Princip prvku IGBT

Vývoj prvku IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) byl veden snahou o spojení výhod bipolárních tranzistorů a tranzistorů FET ve výkonových aplikacích. Bipolární tranzistory se vyznačují poměrně vysokou injekcí nosičů náboje z emitorové vrstvy, což dává předpoklady pro získání malých hodnot odporu součástky v sepnutém stavu. U tranzistorů FET závisí odpor v sepnutém stavu na tloušťce polovodičové vrstvy. Má-li být tranzistor schopen velkého napěťového namáhání, musí být tloušťka vrstvy dostatečně velká. Proto je proudová zatížitelnost FET pro napětí větší než 200 V podstatně menší ve srovnání s bipolárními tranzistory.

Výkonové bipolární tranzistory se vyznačují malým proudovým zesilovacím činitelem (asi 10 až 20). Požadavek na buzení bipolárního tranzistoru relativně velkým proudem komplikuje budiče těchto tranzistorů. Tranzistor FET je řízen pouze napěťovým signálem s velmi malým výkonem, neboť jeho řídicí elektroda má v podstatě vlastnosti kondenzátoru – proud v řídicí elektrodě slouží k nabíjení a vybíjení kapacity řídicí elektrody.

Součástky IGBT mají na vstupní straně vlastnosti analogické tranzistoru FET, výstupní strana, zabezpečující vedení silového proudu, má vlastnosti bipolárního tranzistoru. Prvek IGBT je tedy řiditelný pouze napěťovými signály a přitom je na výstupní straně dostatečně proudově i napěťově zatížitelný.

Principiálně lze náhradní schéma IGBT znázornit podle obr. 1a, popř. zjednodušeně podle obr. 1b. Nejčastěji používaná značka IGBT je na obr. 1c. Prvek tedy pracuje jako kaskádní spojení bipolárního tranzistoru PNP, jehož proud báze je řízen sepnutím vstupního FET.

Výstupní voltampérové charakteristiky IGBT odpovídají charakteristikám FET (obr. 2a). IGBT pracuje ve spínacím režimu, ve stavu sepnutí se tedy jedná o saturaci.

Z vnitřní struktury součástky vyplývá, že při uvažování R_sh > 0 (obr. 1a) je možné modelovat IGBT v sepnutém stavu jako sériovou kombinaci diody a odporu sepnutého FET (obr. 2b). Úbytek napětí na diodové části se stejně jako u běžné diody skládá z prahového napětí U_T0 a úbytku na diferenciálním odporu. Se zvyšující se teplotou klesá prahové napětí a vzrůstá diferenciální odpor. Celkový úbytek napětí v sepnutém stavu se u IGBT pohybuje v rozmezí asi 1,5 až 4 V v závislosti na typu prvku a na protékajícím proudu. Se zvětšujícím se proudem tento úbytek vzrůstá. Vzhledem k tomu, že odpor sepnutého tranzistoru roste i s teplotou, tj. vzhledem ke kladnému tepelnému součiniteli odporu, je možné realizovat IGBT jako integrovaný obvod s velkým počtem paralelně zapojených prvků v jednom čipu.

Dosavadní úvahy se vztahovaly k případu, kdy lze zanedbat úbytek napětí na odporu R_sh. Při zvětšení proudu kolektoru však může dojít ke zvýšení úbytku napětí na tomto odporu, čímž se zvýší napětí na bázi tranzistoru NPN (obr. 1a) a část proudu kolektoru IGBT poteče bází a emitorem zmíněného tranzistoru. Dojde-li ke zvětšení proudu kolektoru nad určitou kritickou hodnotu, uplatní se kladná zpětná vazba v zapojení dvou bipolárních tranzistorů (obr. 1a), díky níž začne mít tato struktura vlastnosti tyristoru, klesne úbytek napětí na IGBT a prvek již nelze vypnout zásahem do řídicí elektrody. Technologickými úpravami při výrobě IGBT se dosahuje zvýšení hodnoty kritického proudu tak, aby nebyla omezena hodnota proudové zatížitelnosti.

Předností prvků IGBT je možnost dosáhnout poměrně velké spínací frekvence díky krátkým spínacím časům. Rychlost sepnutí je velká – řádově desetiny µs a je ovlivněna rychlostí nabíjení kapacity řídicí elektrody. Proto se v budičích pro IGBT tvaruje průběh napětí řídicí elektrody tak, že se zvyšuje toto napětí při zahájení spínání oproti hodnotě v ustáleném stavu. Rychlost vypínání je nižší než rychlost zapínání, neboť vysoké hodnoty du/dt při vypínání vedou ke vzniku posuvných proudů, které mohou ovlivnit již zmíněnou parazitní tyristorovou strukturu, a může dojít k nežádoucímu sepnutí součástky. Potřebného du/dt při vypínání součástky se dosáhne technologií výroby, popř. je vnějšími obvody zabezpečeno, aby odpor zařazený v sérii s řídicí elektrodou byl při zapínání nižší než při vypínání. Aby nedošlo k nežádoucímu sepnutí vlivem velkého du/dt ve vypnutém stavu, je zpravidla v tomto stavu připojena řídicí elektroda k zápornému napětí.

Bezpečná pracovní zóna IGBT v souřadnicích napětí-proud je omezena zejména tepelnými ztrátami. Velikost této zóny je závislá i na spínací frekvenci, neboť s rostoucím napětím rostou spínací ztráty tranzistoru. Omezení spínací frekvence je dáno potřebou dostatečné doby pro odvedení ztrátového tepla po uskutečnění spínacího procesu. S tím souvisí i existence minimální nutné doby setrvání prvku ve vypnutém, popř. sepnutém stavu.

3. Princip prvku IGCT

IGCT (Integrated Gate Commutated Thyristor) je čtyřvrstvá polovodičová součástka se stejným řazením polovodičových vrstev jako u klasického tyristoru. Principiálním východiskem při vývoji IGCT byl GTO (Gate Turn Off Thyristor), tj. tyristor vypínatelný řídicí elektrodou, který se používá již mnoho let.

Zjednodušeně lze strukturu GTO modelovat zapojením dvou tranzistorů (obr. 3).

Řídicí elektroda tyristoru G je bází tranzistoru T1 a po přivedení kladného řídicího proudového pulsu z řídicí elektrody do katody K tento tranzistor spíná, čímž připojí bázi tranzistoru T2 na zápornou polaritu napětí. Mezi oběma tranzistory se uplatní kladná zpětná vazba a po odeznění řídicího pulsu v elektrodě G zůstává tyristor v sepnutém stavu.

Při zapínání součástky dochází k růstu produkce ztrát díky zvýšení okamžité hodnoty součinu proudu a napětí. Hodnota těchto ztrát se zpravidla minimalizuje připojením tlumivky do série se součástkou. Tlumivka zmenší strmost nárůstu proudu součástkou, a tudíž plný proud součástka přebírá až po poklesu úbytku napětí na součástce na dostatečně malou hodnotu. Hodnota indukčnosti tlumivky se volí s ohledem na dodržení mezní hodnoty di/dt.

Při požadavku na vypnutí GTO je nutné zrušit působení kladné zpětné vazby mezi T1 a T2 přivedením záporného proudu do elektrody G. Nevýhodou GTO je, že hodnota proudu řídicí elektrody při vypínání je značně velká a dosahuje až třetiny hodnoty vypínaného proudu. Nosiče náboje na přechodu báze-emitor tranzistoru T1 jsou odváděny elektrodou G a zmíněný přechod je tím uveden do nevodivého stavu během několika µs. Katoda K je v praxi realizována paralelním řazením mnoha prvků, z nichž každý je obklopen elementární řídicí elektrodou. Při vypínání však nedochází k poklesu proudu ve všech prvcích katody stejně a každý z prvků přitom vypíná postupně tak, že se jeho proud zhušťuje do zužujících se vláken. Vlivem zužování těchto proudových vláken se lokalizuje vznik ztrátového tepla do velmi malých objemů a nastává lokální přehřátí, přičemž vzniká riziko zničení struktury.

Po zmenšení katodového proudu nadále protéká proud z anody do řídicí elektrody a poté do katody přes zdroj řídicích pulsů. Tento tzv. proud doznívání se uzavírá součástkou v době, kdy na součástce již je značné anodové napětí; ve spojení s tímto napětím vznikají další složky ztrát.

Rizika spojená se vznikem lokálních ohřevů v úzkých vodivých vláknech při vypínání součástky a se vznikem ztrát vlivem proudu doznívání se odstraňují pomocí odlehčovacích obvodů – tzv. snubberů. V principu se jedná o připojení nenabitého kondenzátoru paralelně k součástce, který při vypínání odvede mimo součástku část vypínaného proudu a sníží strmost nárůstu napětí na součástce. Minimalizuje se tedy součin okamžitých hodnot proudu a napětí na vypínané součástce. Hodnota ztrát při vypínání zpravidla značně převyšuje hodnotu ztrát při zapínání součástky.

Princip IGCT vychází z principu GTO, zásadní rozdíl však je v procesu vypínání. U IGCT je kladen zásadní požadavek na velkou rychlost a tvrdost procesu vypínání. Při vypínání IGCT dochází k tomu, že je v podstatě celý proud anody velmi rychle převeden do řídicí elektrody, tj. proud anody je komutován, tranzistor T1 (v obr. 3) se tím nesmírně rychle vypíná a poté dojde k vypnutí tranzistoru T2. Základní podmínkou je rychlý nárůst proudu v řídicí elektrodě, dosahující hodnot přes 3 000 A/µs, a s tím související minimální hodnota parazitní indukčnosti obvodu řídicí elektrody. Celou situaci komplikuje malá hodnota napětí řídicí elektrody při vypínání – 20 V, daná požadavkem na malé napěťové namáhání přechodu báze-emitor tranzistoru T1. Ze zmíněného důvodu je řídicí obvod umístěn v těsné blízkosti výkonového prvku – je integrován. Vzdálenost řídicího obvodu od výkonového prvku by neměla být větší než 15 cm. Hodnoty parazitních indukčností obvodu řídicí elektrody se pohybují řádově v oblasti jednotek velikosti nanohenry (nH). Díky rychlému procesu vypnutí odpadají problémy s lokálními ohřevy v proudových vláknech katody při vypínání a problémy spojené s proudem doznívání. V důsledku toho se nemusí ve spojení s IGCT používat odlehčovací sítě. Díky zrychlení procesu vypínání lze IGCT provozovat s vyšší spínací frekvencí než GTO.

4. Proudová a napěťová zatížitelnost IGBT a IGCT

Oblasti využitelnosti výkonových součástek IGBT, IGCT a FET jsou přehledně znázorněny na obr. 4, z něhož je zřejmé, že pro měniče nejmenších výkonů lze využívat výkonové FET, které se dodávají pro proudy do 1 000 A a napětí do 1 000 V. Součástky pro vyšší napětí však jsou proudově méně zatížitelné, součástky pro větší proudy jsou méně zatížitelné napěťově. U daného typu součástky výrobce navíc definuje tzv. bezpečnou pracovní zónu. Například výkonový FET, u něhož výrobce uvádí maximální hodnotu trvalého proudu 60 A a maximální hodnotu napětí 50 V, lze při 60 A provozovat s napětím jen do 5 V a při napětí 50 V lze součástku provozovat jen s proudy do 5 A. Maximální proud se kromě toho musí omezovat při zvyšující se spínací frekvenci prvku.

Výrazného rozšíření napěťového a proudového rozsahu měniče lze dosáhnout pomocí IGBT. V současnosti jsou na trhu k dispozici IGBT s maximální napěťovou hladinou 6 500 V od firmy EUPEC, maximální proud těchto prvků je 600 A, IGBT pro proudy do 2 500 A jsou k dispozici v napěťových hladinách do 2 000 V. Projevuje se zde tedy stejný efekt jako u FET – prvky pro nejvyšší napěťovou zatížitelnost jsou k dispozici pouze pro menší proudy, prvky pro velké proudy jsou napěťově méně zatížitelné. Uvedenou nevýhodu do jisté míry odstraňuje možnost řadit IGBT paralelně. Bezpečná pracovní zóna konkrétního typu prvku je obdélníková, tj. neprojevuje se snížení proudového zatížení se zvyšujícím se napětím jako u FET.

Vzhledem k oblasti proudů a napětí, kde je možné používat IGBT, i dalším výhodným vlastnostem ovládly tyto součástky měničovou techniku pro nízká napětí s napájením z běžné sítě 3 × 400 V.

Ve velké míře se využívají IGBT i v měničích pro vyšší napětí, např. v trakčních aplikacích. V aplikacích pro napětí zejména nad 1 000 V však nemusí být použití IGBT vždy nejvýhodnější. To má více příčin. U IGBT nepřichází v úvahu sériové řazení. Z toho důvodu se vzhledem k relativně malé robustnosti IGBT musí prvek dostatečně předimenzovat. Například součástky s napěťovou hladinou 6 500 V se používají pro měniče, kde trvalé napětí nepřesáhne hodnotu asi 3 300 V. I když výrobci nabízejí IGBT do napětí 6 500 V, v praxi je situace taková, že zcela běžně dostupné jsou prvky pro napětí jen do 1 700 V. Tyto prvky lze použít při napájení měniče napětím do 750 V. Při objednávání součástek pro napětí nad 2 000 V je možné očekávat problémy s dodacími lhůtami, s cenou atd. Určitou možností řešení vysokonapěťových měničů IGBT je využití speciálního zapojení měniče – např. sériové řazení měničů nebo vícehladinový měnič.

Jak vyplývá z obr. 4, součástky IGCT svým rozsahem proudu a napětí pokrývají celou oblast proudů a napětí do 6 000 V a 6 000 A. Připočte-li se k tomu možnost sériového řazení IGCT, je zřejmá vhodnost tohoto prvku pro oblast vysokonapěťových měničů pro největší výkony. V oblasti měničů středních výkonů pro napětí od asi 600 V do 3 000 V se pole použití IGCT rovněž rozšiřuje – v tomto případě se zohledňují zejména konstrukční hlediska a preferuje se větší robustnost. Například v měniči pro jmenovité napájecí napětí 750 V je typické použití IGCT s napěťovou hladinou 2 500 V, v měniči pro napětí 3 000 V se použijí dva prvky hodnoty 4 500 V v sérii (např. v zapojení vícehladinového střídače). Z uvedených příkladů je zřejmá dostatečná napěťová rezerva.

Robustnost prvku IGCT z hlediska proudového namáhání je dána zejména velkou hodnotou I2t a velkou hodnotou neopakovatelného špičkového proudu. Díky tomu lze měnič IGCT chránit běžnou rychlou pojistkou.

V současné době je vyvíjen IGCT pro napětí 10 kV. Nakolik se tento prvek uplatní v praxi, závisí zejména na zájmu zákazníků.

5. Rychlost spínání, strmosti proudu a spínací frekvence

Součástky IGBT jsou založeny na principu tranzistoru a z toho vyplývá jejich vysoká rychlost spínání. Spínací doba se pohybuje v rozmezí 0,1 až 1 µs, přičemž doba vypnutí je až třikrát delší než doba zapnutí. Krátké spínací doby však současně vyžadují řešení otázky přepětí pomocí přepěťových ochran. Krátkým spínacím dobám odpovídají velké strmosti proudu di/dt, které se pohybují v rozmezí 1 000 až 5 000 A/µs. Tyto hodnoty umožňují provozovat IGBT při relativně velkých spínacích frekvencích. U měničů pro napájecí napětí 3 × 400 V se běžně používají spínací frekvence 16 až 20 kHz, se zvyšující se frekvencí však musí být redukován výstupní výkon vlivem rostoucích spínacích ztrát. Vzhledem k možnosti dosáhnout vysoké spínací frekvence se v uvedených měničích používají IGBT výhradně a změnu tohoto stavu nelze předpokládat.

U měničů IGBT středních a vyšších výkonů se vlivem spínacích ztrát snižuje hodnota používané spínací frekvence. Například u měničů pro trakční pohony se používá spínací frekvence maximálně do 3 kHz.

Velká rychlost spínání IGBT umožnila konstrukci měničů bez odlehčovacích obvodů (snubberů). Použití těchto obvodů bylo nutné zejména v případě použití prvků GTO.

Nový přístup při řešení vypínání IGCT otevřel cestu pro další využívání prvků na bázi tyristoru ve výkonových měničích, neboť malá spínací frekvence a nutnost použít odlehčovací obvody byly nevýhody, jejichž vlivem začaly měniče IGBT vytlačovat měniče s GTO. Novou technologií vypínání byly zkráceny vypínací doby IGCT na asi 1 až 3 µs, což je zhruba pětina vypínacího času GTO, a strmost proudu dosahuje hodnot až 2 500 A/µs. Tím odpadá nutnost použití odlehčovacích obvodů. Doba zapnutí IGCT je asi 1 až 1,5 µs. Proto je někdy třeba použít předřadnou tlumivku pro omezení di/dt pod 1 000 A/µs při zapínání prvku (obr. 5). Zařazení tlumivky sníží ztráty prvku při zapínání, při vypínání velikost ztrát tlumivka neovlivní.

Indukčnost tlumivky je však minimální a v některých případech nemusí být vůbec zapojena, neboť její funkci plní parazitní indukčnosti obvodu. Prvky R, C a dioda v obr. 5 plní funkci přepěťové ochrany.

Spínací vlastnosti IGCT dovolují používat tyto prvky při spínacích frekvencích do 2 kHz, což je výrazný posun oproti GTO. Díky této spínací frekvenci nemohou IGCT konkurovat IGBT v měničích pro nižší výkony, kde je spínací frekvence často vyšší než 10 kHz. V oblasti měničů pro střední a vyšší výkony je však spínací frekvence IGCT měničů srovnatelná s hodnotami, které se používají u měničů IGBT.

Velikost spínací frekvence je u IGCT omezena jen schopností odvodu ztrátového tepla. V krátkých časových intervalech je IGCT schopen pracovat až s frekvencí 20 kHz, ale pouze potud, pokud se nezvýší teplota struktury nad kritickou mez, tj. asi 140 °C.

Specifická situace je v oblasti pulsních měničů, zejména pro trakční aplikace. Zde je nutné z důvodu možnosti dynamického brzdění použít poměrně velkou vyhlazovací tlumivku řazenou do série s kotvou motoru. Tato tlumivka je členem s velkou časovou konstantou, a tudíž nemá smysl příliš zvyšovat spínací frekvenci pulsního měniče. V těchto aplikacích se používají spínací frekvence okolo 1 500 Hz, a z hlediska dynamiky je zde tedy použití IGBT a IGCT zcela rovnocenné. V souvislosti s použitím IGCT v pulsním měniči je třeba připomenout, že díky krátkým spínacím dobám je nutné použít velmi rychlou nulovu diodu.

6. Konstrukce výkonových polovodičových součástek

Prvky IGBT se dodávají v provedení bezpotenciálových modulů. Až v poslední době se u některých výrobců připravuje výroba pastilkových IGBT. Uvedené řešení však zatím není obvyklé, a proto bude dále věnována pozornost pouze bezpotenciálovým modulům IGBT. Výhodou tohoto řešení je bezpotenciálový styk modulu s chladičem, kompaktnost a možnost dosáhnout velké integrace obvodů a součástek v jednom modulu.

V měničích pro nižší výkony, nejčastěji pro síťové napájení 3 × 400 V, se využívá značná integrace výkonových polovodičových součástek. Zcela běžně je integrován celý výkonový obvod měniče frekvence – tj. vstupní usměrňovač, tranzistor pro připojení brzdného odporu a střídač IGBT– v jednom modulu. K tomu jsou dále v modulu integrovány budicí, snímací a ochranné obvody – nejčastěji se jedná o integrované snímače proudu, napětí a teploty, o přepěťovou, nadproudovou a tepelnou ochranu a ochranu proti současnému sepnutí dvou prvků v jedné větvi střídače. Integrované budiče zabezpečují vhodné tvarování řídicích pulsů. Součástky zahrnující uvedené bloky jsou někdy označovány pojmem inteligentní moduly.

Rozměry výkonových modulů nejsou velké. Například inteligentní modul obsahující celé výkonové schéma měniče frekvence pro vstupní napětí 3 × 400 V pro motor s výkonem 1,5 kW má rozměry 9 × 5 × 1cm (obr. 6). Z obr. 7 je zřejmé začlenění podobného modulu v měniči frekvence pro motor s výkonem 2,2 kW.

U pulsních měničů a měničů frekvence pro střední a vyšší výkony bývá stupeň integrace výkonových polovodičových součástek v modulu menší, i když modul je často inteligentní, tzn. obsahuje zejména nadproudové a tepelné ochrany. Některé možnosti zapojení modulů výkonových IGBT jsou na obr. 8.

Na obr. 8e je v modulu zapojen trojfázový střídač. Toto zapojení se používá v modulech pro nižší výkony. Střídače vyšších výkonů se skládají z modulů podle zapojení 8d. Moduly zapojené podle obr. 8b a 8c nacházejí uplatnění zejména v pulsních měničích díky integrované nulové diodě. Měniče vyšších výkonů se často zapojují z modulů s jedním prvkem IGBT– zapojení 8a. Konkrétní provedení modulů zapojených ve střídači středního výkonu je na obr. 9 a obr. 10.

Technologie výroby modulů IGBT je založena na paralelním řazení mnoha elementárních prvků. Elementární prvky jsou umístěny na několika čipech. Technologicky je omezena plocha každého čipu na maximálně 4,6 cm². Jednotlivé čipy jsou spojeny pomocí drátků a pájení. Vnitřní struktura modulu, zejména pro velké proudy, je poměrně komplikovaná. Například modul pro 3 300 V a 1 200 A obsahuje až 60 čipů, které jsou propojeny až 450 spojovacími drátky. Technologie bezpotenciálového modulu musí na jedné straně zabezpečit kvalitní odizolování výkonových prvků od montážní desky modulu, na druhé straně musí být zabezpečena maximální tepelná vodivost pro odvod ztrátového tepla ze součástky.

Konstrukce prvků IGCT je založena na pastilkovém provedení, což vede k zásadním rozdílům v provedení měničů IGBT a IGCT. Pastilkový prvek IGCT neobsahuje žádné pájené spoje a veškerý kontakt je zabezpečen pomocí přítlaku. Na křemíkové destičce je umístěn velký počet elementárních prvků. Z principu součástky vyplývá větší proudová hustota, kterou je možné elementární prvek zatížit ve srovnání s IGBT, což dává předpoklady pro dosažení menšího objemu IGCT. Jak již bylo uvedeno, princip fungování IGCT vyžaduje minimální hodnotu indukčnosti obvodu řídicí elektrody. Z toho důvodu je řídicí elektroda vyvedena z výkonového prvku více vývody, nejčastěji dvěma, popř. čtyřmi. Počet vývodů se zvyšuje s rostoucím jmenovitým proudem součástky.

Prvky IGCT se dodávají ve dvojím provedení – tzv. symetrické a asymetrické. Symetrické součástky mají stejné vlastnosti v blokovacím i závěrném směru, tj. vyznačují se elektrickou pevností. Symetrické součástky se dodávají běžně pro napěťové hladiny do 2,5 kV, vyrábějí se ale i pro napětí 5 kV. Asymetrické součástky mají v jedné křemíkové destičce integrovánu zpětnou diodu, a tudíž mají pouze blokovací vlastnosti.

Pastilkové provedení IGCT dává předpoklady k sériovému řazení těchto součástek. Absence pájených spojů a řešení kontaktního spojení přítlakem výrazně zjednodušuje konstrukci součástky a zvyšuje její robustnost a spolehlivost. Pastilkové provedení IGCT vychází z provedení GTO.

7. Ztráty a chlazení výkonových polovodičových součástek, konstrukce výkonového měniče

Při provozu výkonových polovodičových součástek se uplatňují zejména ztráty v propustném směru a ztráty spínací. Ztráty v propustném směru závisejí na prahovém napětí, diferenciálním odporu a na velikosti proudu protékajícím součástkou. Na obr. 2 je uvedeno náhradní schéma IGBT v sepnutém stavu. Úbytek napětí v propustném směru u IGBT bývá v rozmezí 2 až 5 V, např. prvek protékaný proudem 1 000 A má úbytek napětí 4,5 až 5 V.

Z principu tyristorové struktury vyplývá nižší hodnota úbytku napětí v propustném směru u IGCT. Vlastnosti sepnutého tyristoru jsou obdobné jako u sepnuté výkonové diody. Například IGCT protékaný proudem 1 000 A má úbytek napětí v propustném směru okolo 2 V, to vyplývá z hodnoty prahového napětí asi 1,5 V a z hodnoty diferenciálního odporu asi 0,4 m. Z uvedených hodnot je zřejmé, že ztráty v propustném směru dané součinem úbytku napětí a proudu jsou u IGCT výrazně nižší.

Spínací ztráty jsou u prvků IGBT poněkud nižší vlivem rychlejších procesů spínání.

Celková energetická bilance u měničů středních a vyšších výkonů, kde se používají spínací frekvence u IGBT i IGCT do asi 2 kHz je příznivější v případě IGCT. Při vyčíslování celkové energetické bilance měniče IGCT je však třeba vzít v úvahu ještě případné ztráty v odlehčovacích členech.

Pro bližší srovnání ztrátových výkonů uveďme příklad střídače s prvky IGBT 3 300 V a 1 200 A. Při proudu 600 A, spínací frekvenci 500 Hz a vstupním napětí 520 V jsou ztráty v propustném směru 4,5 kW a spínací ztráty 1,7 kW, tj. celkové ztráty činí 6,2 kW. U měniče IGCT s prvky 4 500 V a 3 120 A jsou ztráty v propustném směru 3 kW, ztráty spínací 1,7 kW, tj. celkové ztráty činí 4,7 kW při stejném proudu, vstupním napětí a spínací frekvenci.

Uvažuje-li se tříhladinový střídač s IGBT 3 300 V, 1 200 A se spínací frekvencí 840 Hz, budou při proudu 1 000 A a vstupním napětí 4 840 V spínací ztráty 30 kW, ztráty v propustném směru 90 kW, tj. celkové ztráty činí 120 kW. U střídače typu IGCT s prvky 4 500 V a 2 190 A budou při stejném zapojení, stejné frekvenci, proudu a napětí spínací ztráty 60 kW, ztráty v propustném směru 30 kW, tj. celkové ztráty činí 90 kW.

Rozdílná konstrukce prvků IGBT a IGCT a jejich nestejné ztrátové výkony vedou k odlišné koncepci chlazení měničů a tím i k odlišné konstrukci měniče. Součástky IGBT vyráběné v podobě bezpotenciálových modulů jsou připevňovány na chladič, z něhož je odváděno ztrátové teplo vzduchem či kapalinou. Předností tohoto provedení je galvanické oddělení chladiče od výkonového obvodu. Nevýhodou naproti tomu je jednostranný odvod tepla ze součástky.

Součástky IGCT jsou vodivě spojeny s chladičem, tj. chladič se nachází na potenciálu výkonového obvodu. Tím, že je ztrátové teplo odváděno ze součástky oboustranně, zvýší se efektivita chlazení. Vzhledem k provedení IGCT se nejčastěji uplatňuje chlazení vzduchem nebo tepelnými trubicemi. Při kapalinovém chlazení pastilkových prvků je nevýhodou to, že chladicí kapalina je vodivě spojena s výkonovým obvodem, tj. chladicí kapalina musí být nevodivá. Používá se buď olej nebo deionizovaná voda.

Koncepce chlazení se u měničů IGBT a IGCT zásadně liší. Jak již bylo uvedeno, je konstrukce IGBT složitá a obsahuje množství pájených spojů. Tepelné namáhání těchto spojů zvyšuje jejich odpor a zkracuje jejich životnost, přičemž nejnepříznivějším jevem je rychlé kolísání teploty ve velkém rozsahu. V mezním případě může při provozu dojít k rychlému stárnutí spojů a k jejich přerušení. Z uvedených důvodů je nutné zabezpečit, aby součástky IGBT pracovaly se stálou teplotou i při velkých výkyvech proudového zatížení. To vede k použití poměrně velkých chladičů s velkou tepelnou kapacitou, která dostatečně tlumí výkyvy v produkci ztrátového tepla. Mezní teploty IGBT se pohybují v hodnotách do 150 °C.

Součástky IGCT neobsahují pájené spoje, a tudíž jsou ve značné míře odolné proti kolísání teplot. To umožňuje realizovat chladicí systém s rychlým odvodem tepla s malou tepelnou kapacitou. Tato vlastnost je velmi efektivně zabezpečena pomocí tepelných trubic, tj. chladičů, u nichž se k odvodu ztrátového tepla ze součástky využívá teplo nutné ke skupenské přeměně chladicího média. Chladicím médiem může být voda, která ze součástky odvádí teplo ve zředěné atmosféře. Chladicí médium kondenzuje na stěnách tepelné trubice a z té je teplo odváděno proudem vzduchu. Tepelná trubice je zpravidla celá na potenciálu výkonového obvodu. Existují i tepelné trubice s galvanickým oddělením od výkonového obvodu keramickou vložkou. Tyto trubice jsou však citlivé na namáhání mechanickými rázy, a proto jsou vhodné jen pro stacionární aplikace, ale nikoliv např. pro oblast elektrické trakce. Díky velké efektivitě odvodu tepla ze součástky prostřednictvím tepelné trubice dochází k ustálení teploty při tomto chlazení do asi deseti minut. Při klasickém způsobu chlazení ofukováním hliníkového chladiče součástky se teplota ustálí po asi 30 minutách, nedochází-li k ofukování, teplota se ustálí řádově až za hodiny. Teplota IGCT se v má optimálním případě pohybovat do 115 °C; při teplotách vyšších sice bezprostředně nehrozí zničení součástky, ale klesá elektrická pevnost součástky a zhoršuje se kvalita procesu vypínání. Maximální teplota IGCT nemá překročit 140 °C.

Z předchozího rozboru je zřejmé, že díky nižším celkovým ztrátám IGCT a díky možnosti osazení chladiče s tepelnými trubicemi vycházejí rozměry měničů IGCT podstatně menší ve srovnání s měniči IGBT – např. pulsní měnič IGCT 750 V, 400 A, s nulovou diodou a s chlazením tepelnými trubicemi má rozměry 250 × 300 × 350mm – obr. 11. Moduly IGBT je však výhodnější používat ve spojení s kapalinovým chlazením.

Prvky IGBT i IGCT se používají pro stejné druhy zapojení výkonové části měničů, tj. pro pulsní měniče, pro pulsní usměrňovače a pro dvouhladinové i vícehladinové střídače (obr. 13). V případě pulsního měniče s IGBT i s IGCT je třeba věnovat pozornost volbě nulové diody. Ta musí být co nejrychlejší, aby byla sladěna její činnost s rychlými prvky IGBT a IGCT.

Odlišnost konstrukce měničů je dána, kromě odlišného provedení IGBT a IGCT a kromě rozdílného systému chlazení, případným zapojením odlehčovacího obvodu, který zlepšuje vypínací schopnosti, a omezovací tlumivky u měničů IGCT. Tlumivka pro omezení di/dt při zapínání nemusí být zapojena v případě dostatečně velké parazitní indukčnosti přívodních vodičů, při řešení problematiky přepětí se u měničů IGCT někdy využívá robustnost prvků a daná součástka se výrazněji předimenzuje.

Rozdíl v konstrukci měničů je dán i skutečností, že IGBT je možné řadit paralelně, zatímco IGCT jsou předurčeny spíše pro sériové řazení. V případě poruchy jedné ze sériově řazených součástek IGCT dojde k trvalému vodivému spojení mezi anodou a katodou. Je-li měnič napěťově předimenzován, lze jej nadále nouzově provozovat i s takto zničenou sériově řazenou součástkou, což zvyšuje jeho odolnost proti vyřazení z činnosti. Analogický postup není u měniče IGBT možný.

Použití IGCT je výhodné zejména v případě, kdy má výrobce vyvinutou konstrukci měniče na bázi GTO. Tehdy představuje přechod na IGCT jen malé zásahy do konstrukce měniče při současném výrazném zlepšení vlastností (obr. 12).

8. Problematika budičů

U modulů IGBT se ve velké míře uplatňuje integrace podpůrných obvodů. To platí i o obvodech pro formování řídicích pulsů pro výkonové tranzistory. Například u střídačů pro malé výkony integrovaných v jednom modulu stačí budit řídicí vstupy ze speciálního rychlého optronu. Vstup tohoto optronu je řízen přímo z výstupu mikroprocesoru, výstupní napětí zpravidla nabývá hodnot ±12 V, popř. ±15 V. Při vypnutí je na řídicí vstup připojeno záporné napětí, které urychlí vypnutí prvku a bezpečně udržuje prvek ve vypnutém stavu.

Pro měniče vyšších výkonů se dodává množství inteligentních budičů. Kromě tvarování průběhu řídicího signálu jsou v budiči často integrovány i další obvody zabezpečující např. galvanické oddělení, ochranu proti zkratu, ochranu proti současnému sepnutí dvou prvků v jedné větvi střídače, včetně respektování ochranné doby atd.

Problematika budičů pro IGCT je výrazně odlišná. Budiče pro IGBT řídí součástku v podstatě napěťovými signály a proudy v řídicí elektrodě slouží jen k nabíjení a vybíjení kapacity řídicí elektrody. U IGCT generuje budič proudové pulsy. Při vypínání musí řídicí elektroda velmi rychle na dobu mikrosekund převzít v podstatě celé vedení proudu součástky. Kromě velkých hodnot proudů je třeba v řídicí elektrodě zabezpečit velkou strmost nárůstu proudu i – přes 3 000 A/µs. To vyžaduje minimální indukčnost obvodu řídicí elektrody – zpravidla 2 až 3 nH. S rostoucí proudovou zatížitelností součástky se musí snižovat maximální hodnota této indukčnosti. Budič je proto umístěn co nejblíže výkonovému prvku a tvoří s ním v podstatě nedílný celek. Výstupní napětí budiče pro vypínání se oproti GTO zvýšilo z 15 na 20 V a koresponduje s hodnotou napájecího napětí budiče. Výstupní napětí budiče pro zapínání součástky dosahuje 5 V. Velikost napětí na výstupu budiče zásadním způsobem ovlivňuje dosažitelnou strmost proudu a v současnosti se pracuje na vývoji prvku s napětím řídicí elektrody až 70 V. Zvýšení tohoto napětí má zásadní význam zejména u součástek pro největší proudy.

Řídicí jednotky IGCT jsou konstruovány na připojení řídicího signálu v napěťové či optické podobě (obr. 14).

Z hlediska principu činnosti IGBT a IGCT je zřejmé, že příkon budiče IGCT bude oproti příkonu budiče IGBT vyšší. Příkony budičů IGBT jsou asi 10 W, zatímco příkony budičů IGCT dosahují hodnot i přes 100 W. I tak se však díky zrychlení procesu vypínání snížil příkon budiče IGCT asi na 50% hodnoty příkonu budiče GTO.

9. Řešení nadproudové a zkratové ochrany a spolehlivost IGBT a IGCT

Nadproudová a zkratová ochrana IGBT se zpravidla řeší velmi efektivně prostřednictvím sledování úbytku napětí na součástce. Při enormním zvýšení proudu se vychýlí pracovní bod tranzistoru z oblasti saturace (obr. 2). Tím dojde k výraznému zvýšení napětí na součástce. Měniče či moduly jsou v současnosti vybavovány nezávislými obvodovými ochranami, které na základě vzrůstu napětí na tranzistoru iniciují vypnutí prvku řídicím signálem řádově za jednotky mikrosekund. Koncepce ochrany je taková, že k vypnutí dojde dříve, než se zkratový proud zvětší na plnou hodnotu. Díky těmto rychlým ochranám jsou moderní měniče IGBT v podstatě zkratuvzdorné.

Využít podobný postup u IGCT v principu není možné. V případě IGCT se vyhodnocuje přímo hodnota procházejícího proudu a při jejím vzrůstu nad kritickou mez se iniciuje vypnutí obvodu. Tento postup nedovoluje dosáhnout tak velké rychlosti působení jako u ochrany IGBT, avšak u IGCT se v tomto případě využívá robustnost prvku a někdy také jeho velká vypínací schopnost. U měničů IGCT se často řeší vypínání nadproudů a zkratů rychlovypínačem či rychlými pojistkami, tudíž na rozdíl od IGBT dojde ke vzrůstu proudu na značnou hodnotu. Robustnost IGCT dokresluje schopnost odolávat proudům řádově desítek kiloampérů po dobu jednotek milisekund.

IGCT se oproti IGBT vyznačuje větší robustností a spolehlivostí, tj. delší dobou mezi poruchami a teoretickou delší životností. To je dáno charakterem tyristorové struktury, schopností vypínat vyšší nadproudy díky vyšší hodnotě neopakovatelného špičkového proudu, větší hodnotou I²t a větší napěťovou odolností. Naproti tomu je třeba vzít v úvahu, že spolehlivost výkonové součástky je významně svázána se spolehlivostí budiče, která může být menší než spolehlivost výkonového prvku. To platí zejména pro budiče IGCT, které pracují s velkými proudy, a tudíž s relativně velkými energiemi.

10. Výrobci a použití výkonových prvků

Moduly IGBT ve světě vyrábí mnoho firem, např. International Rectifier, Fuji, ABB, Eupec, Toshiba, Ixys, Semikron aj. Naproti tomu IGCT vyrábí pouze tři firmy: ABB, Mitsubishi a česká firma Polovodiče a. s., jeden z nástupců firmy ČKD Polovodiče. Z tohoto výčtu je na jednu stranu zřejmé, že uživatel IGBT není odkázán jen na malou skupinu výrobců, na druhé straně je však třeba zdůraznit skutečnost, že jedním z mála výrobců IGCT je renomovaná česká firma, která se neomezuje pouze na výrobu výkonových prvků, ale má zkušenosti i s aplikacemi (např. dodávky pulsních měničů 750 V, 400 A pro trakční pohony trolejbusů – obr. 11). Navíc lze očekávat, že se v budoucnu počet výrobců IGCT zvýší.

IGBT se používají v oblasti měničů menších výkonů a nelze očekávat, že se v této oblasti uplatní IGCT, zejména vzhledem k vysoké integraci součástek v inteligentních modulech IGBT a k výrazně vyšší spínací frekvenci. Jedná se zejména o využití v širokém spektru velkosériově vyráběných měničů frekvence pro asynchronní motory a pro synchronní motory s permanentními magnety.

V oblasti výkonů nad 100 až 150 kW se používají IGBT i IGCT. Použití IGBT v této oblasti je častější, což je jistě dáno i větším počtem výrobců IGBT. V této oblasti výkonů je perspektivní využití IGBT a IGCT zejména ve střídačích – i vícehladinových – pro asynchronní motory, nezanedbatelnou skupinu aplikací však zřejmě budou i nadále tvořit pulsní měniče a kompatibilní usměrňovače. Jednou z typických oblastí v tomto výkonovém rozsahu je např. elektrická trakce.

Pro měniče nejvyšších výkonů v řádech jednotek a zejména desítek megawattů se jako nejperspektivnější prvek zřejmě jeví IGCT, zejména ve vysokonapěťových aplikacích. Je to dáno jeho robustností, možností velkého napěťového a proudového zatížení a možností sériového řazení. Ačkoliv do této oblasti začínají v určité míře pronikat IGBT, zachovají si zde zřejmě zásadní postavení stále prvky na bázi tyristoru. V oblasti měničů pro nejvyšší výkony se jedná zejména o střídače, často vícehladinové.

11. Závěr

Shrňme na závěr stručně výhody a nevýhody IGBT a IGCT, zejména s ohledem na použití v oblasti středních výkonů od asi 100 kW do jednotek megawattů.

Součástka IGCT je na bázi tyristoru a v principu se vyznačuje menší složitostí a větší robustností po stránce napěťového a proudového zatížení a případného přetížení. Robustnost prvku je navíc zvýšena pastilkovým provedením, které zabezpečuje vyšší mechanickou odolnost, vyšší odolnost při rychlých změnách tepelného zatížení a je předpokladem pro dosažení delší životnosti. Vyšší odolnost proti rychlému kolísání teploty dává předpoklady pro použití efektivního způsobu chlazení tepelnými trubicemi.

Součástka IGCT se vyznačuje nižším ztrátovým výkonem, což spolu s efektivním způsobem chlazení je podmínkou výrazně menších rozměrů měniče.

Přechod od prvků GTO k IGCT nevyžaduje zásadní změnou konstrukce měniče.

IGBT a IGCT jsou použitelné ve stejných zapojeních měničů, v obou případech zpravidla odpadá nutnost použití odlehčovacích obvodů. Ve sledované oblasti výkonů lze u měniče IGBT dosáhnout poněkud vyšší spínací frekvence – asi 3 kHz oproti asi 2 kHz u IGCT.

Výhodou IGBT je možnost dosáhnout určitého stupně integrace obvodů v modulu, tj. realizace inteligentního modulu. Další výhodou je galvanické oddělení výkonové části od chladiče a snadnější provedení kapalinového chlazení. Budiče pro IGBT jsou jednodušší a mají menší spotřebu. U IGBT lze zavést efektivní ochranu proti zkratu prostřednictvím snímání úbytku napětí na součástce.

V budoucnosti lze očekávat další vývoj směřující ke zvyšování parametrů IGBT i IGCT. Soupeření těchto prvků bude zřejmě nejvýraznější v oblasti středních výkonů. Lze očekávat, že se zde budou používat oba typy prvků ve srovnatelných aplikacích, avšak míra a konkrétní stav využití jednotlivých typů prvků jistě nebudou dány jen technickou stránkou věci, ale i zájmem výrobců výkonových měničů, popř. i koncových zákazníků, a obchodní politikou výrobců výkonových součástek.