Metodyka badań porównawczych krzemowych i węglikowo-krzemowych łączników mocy

Transkrypt

1 Metodyka badań porównawczych krzemowych i węglikowo-krzemowych łączników mocy dr inż. MIECZYSŁAW NOWAK, prof. dr hab. inż. ROMAN BARLIK, dr inż JACEK RĄBKOWSKI Politechnika Warszawska, Instytut Sterowania i Elektroniki Przemysłowej Ponad 50-letni okres rozwoju nowoczesnej, tzn. półprzewodnikowej elektroniki i jej ważnego działu energoelektroniki to epoka absolutnej dominacji jednego materiału półprzewodnikowego - krzemu. Ten czas wykorzystano do doskonalenia krzemowych przyrządów półprzewodnikowych, osiągając niebywały postęp w zakresie technologii i uzyskiwanych parametrów. Odzwierciedliło się to w znanych osiągnięciach współczesnej mikroelektroniki i informatyki. Mniej eksponowana jest wiedza w dziedzinie energoelektroniki i energetyki oraz postępy w zakresie technologii korzystających z energii elektrycznej. Oceniając stan rozwoju elektroniki krzemowej właśnie z punktu widzenia dziedziny energoelektroniki będącej obszarem zainteresowania autorów należy stwierdzić, że opracowane i stosowane krzemowe łączniki mocy mają parametry bliskie granicznym możliwym do osiągnięcia, a wynikającymi z właściwości krzemu. Oznacza to przykładowo napięcia przebicia 10 kv (diody tyrystory) gęstości prądów w przewodzącej strukturze 150 A/cm 2, czasy przełączeń (0,1 1) µs dla łączników z wykorzystaniem techniki polowej (MOS FET, IGBT).Podstawowym parametrem, który decyduje o najważniejszych cechach użytkowych łączników krzemowych jest niewątpliwie graniczna temperatura struktury, po przekroczeniu której następuje gwałtowne pogorszenie właściwości. Dla krzemu, w zależności od rodzaju struktury złączowej łącznika jest ona ustalana przez producenta pomiędzy 125ºC (tyrystory), a 190ºC (diody). To ograniczenie temperaturowe jest z punktu widzenia energoelektroniki szczególnie dotkliwe w odniesieniu do nowoczesnych zastosowań - tzw. elektroniki gorącej gdzie przekształtnik powinien pracować przy temperaturach otoczenia większych od 100ºC (napędy hybrydowe, elektrownie solarne itp.). Poszukiwanie nowych, lepszych od krzemu, szczególnie z uwagi na maksymalna dopuszczalną temperaturę pracy materiałów półprzewodnikowych trwa od początku ery półprzewodników. Badania wskazywały na możliwość zastosowania diamentu i węglika krzemu. Prace nad diamentem mimo pewnego postępu nie rokują w przewidywalnym okresie nadziei na wdrożenie do szerszego zastosowania, natomiast próby wprowadzenia do produkcji węglika krzemu od kilku lat dają pozytywne acz jeszcze ograniczone rezultaty. Diody Schottky ego są wytwarzane seryjnie natomiast kilka innych typów przyrządów mocy jak polowe tranzystory złączowe czy tranzystory MESFET są oferowane w seriach prototypowych [10,11]. Konstatując, początek nowego etapu w rozwoju energoelektroniki związany z wprowadzaniem przyrządów mocy z węglika-krzemu należy rozpoznać i sprawdzić użyteczne z punktu widzenia konstruktorów proste metody, pozwalające ocenić efekty wynikające z zastąpienia w przekształtnikach o konkretnej topologii przyrządów krzemowych przez ich odpowiedniki z węglika krzemu. Celem niniejszego artykułu jest przedstawienie wyników prac, rozpoczętych w ramach szerszego projektu badawczo-rozwojowego i mających na celu sprawdzenie metod eksperymentalnych umożliwiających jakościową i ilościową ocenę układów z łącznikami mocy z węglika krzemu. Ogólna metodyka badań parametrów i właściwości łączników Głównym celem pomiarów prowadzonych w ramach projektu jest wypracowanie metodyki pozwalającej na porównanie właściwości użytkowych różnych typów przyrządów półprzewodnikowych - w szczególności dostępnych przyrządów z węglika krzemu w relacji do tradycyjnych przyrządów. Pomimo, iż przyrządy z węglika krzemu są predystynowane do pracy w wysokich temperaturach (nawet do 450ºC), dostępne produkowane egzemplarze mają z uwagi na integrację z obudową ( ang. packaging) taki sam zakres dopuszczalnych temperatur jak przyrządy krzemowe. W badaniach uwzględniono wspólny zakres temperatur dla obu typów przyrządów (150)ºC, co jest uzasadnione nie tylko z uwagi na właściwości fizyczne ale także ze względu na potrzebę przyjęcia praktycznie uzasadnionego zakresu jako podstawy do porównań. Przyjęto następujący tryb prowadzenia badań: W pierwszym etapie prac skupiono się nad rozpoznaniem i wdrożeniem laboratoryjnym metod dokładnej identyfikacji temperatury struktury złączowej przyrządów tworzących łącznik. W etapie drugim wykorzystując przyjęty standard topologii przekształtnika, odpowiadający typowym aplikacjom, przygotowano specjalistyczny układ pomiarowy, umożliwiający wyznaczenie najważniejszych parametrów charakteryzujących stan przewodzenia i procesy łączeniowe z uwzględnieniem zmierzonych wartości temperatury struktury. W etapie trzecim dokonano obliczeń wskaźników energetycznych dających podstawy do oceny właściwości poszczególnych przyrządów krzemowych i węglikowokrzemowych i ich porównania z uwzględnieniem konkretnych, wynikających z aplikacji warunków pracy. W etapie czwartym na podstawie pomiarów temperatury podstawy obudowy przyrządów w warunkach pracy odpowiadających przyjętemu standardowi topologii i założonym konfiguracjom przyrządów Si i SiC przeprowadzono weryfikację wyników porównania Pomiary temperatury struktur złączowych Temperatura struktury złączowej przyrządów półprzewodnikowych jest wielkością, która musi być dokładnie kontrolowana w trakcie identyfikacji parametrów decydujących podstawowych właściwościach użytkowych tych przyrzadów. Nie jest praktykowane zakładanie bezpośrednich czujników temperatury bezpośrednio na strukturę półprzewodnikową przyrządów ani tym bardziej produkowanie, odpowiadających standardom, specjalnych egzemplarzy wyposażonych w takie czujniki. Najbardziej użyteczną w praktyce wydaje się metoda wycechowania (charakteryzacji) wybranych egzemplarzy względem parametru termoczułego w warunkach izotermicz- ELEKTRONIKA 7-8/

2 nych dla założonego zakresu temperatur a następnie dokonywania pomiarów tego parametru w określonych warunkach tak, by proces pomiarowy nie powodował zmiany temperatury struktury. W prowadzonych wstępnych pracach rozpoznawczych wybrano do badań następujące przyrządy typowe z punktu widzenia zastosowania do budowy najczęściej spotykanych przekształtników: ultraszybką diodę krzemową PiN 25 A/600 V, diodę Schottky ego z węglika krzemu 10 A/300 V, tranzystor krzemowy IGBT 25 A/600 V, tranzystor z węglika krzemu SiC JFET 5 A/1500 V (seria prototypowa). Przy pomiarach temperatury diody można jako parametr termoczuły przyjąć bądź wartość prądu nasycenia złącza przy polaryzacji wstecznej, bądź napięcie przewodzenia diody przy określonym prądzie. Ten drugi parametr jest korzystniejszy z uwagi na liniowość i dobrą rozdzielczość charakterystyki pomiarowej w przewidywanym zakresie temperatur C. Istotnym zagadnieniem przy prowadzeniu pomiarów temperatury jest zapewnienie takich warunków pomiaru, które nie spowodują zaburzenia termicznego i tym samym błędu pomiarowego. Najprostszym sposobem rozwiązania tego problemu jest zapewnienie krótkiego czasu pomiaru tak, aby w trakcie jego trwania nie nastąpiła znacząca zmiana temperatury struktury, wynikająca z dodatkowego podgrzania sygnałem pomiarowym. Podstawową procedurą konieczną do przeprowadzenia w ramach przyjętej metody pomiaru temperatury struktury wybranej diody jest wyznaczenie wzorcowej charakterystyki. Korzysta się przy tym z komory termostatycznej, umożliwiającej precyzyjne nastawienie i pomiar temperatury. Pomiary przeprowadzone dla kilku elementów tego samego typu umożliwiają ocenę rozrzutu wartości parametru termoczułego, jak i ocenę użyteczności metody w zastosowaniu do szacowania temperatury wewnętrznej dowolnych egzemplarzy danej serii przyrządów. Na rysunku 1a przedstawiono schemat układu pomiarowego, zastosowanego w eksperymencie badawczym, w celu cechowania diod krzemowych i węglikowo-krzemowych. Generator impulsów testujących, umożliwiający nastawianie czasu trwania przedziału pomiarowego w granicach µs otwierał obwód prądu przewodzenia diody, synchronizując jednocześnie rejestrator, przy czym rejestrowane było kilka tysięcy próbek, na podstawie których wyliczana była wartość średnia napięcia na diodzie w danym przedziale pomiarowym. W przypadku tranzystorów krzemowych typu IGBT jako parametr termoczuły przyjęto wartość prądu kolektora przy ustalonej, nieco większej od progowej, wartości napięcia sterującego bramka-emiter. W trakcie tego pomiaru rejestrowany jest prąd kolektora I C tranzystora, włączonego bezpośrednio na zaciski źródła napięcia. Podobnie jak w przypadku diody, konieczne jest przeprowadzenie dla badanego egzemplarza testu, prowadzącego do wyznaczenia wzorcowej charakterystyki I C = f(t J ). W celu ograniczenia do niezbędnego minimum energii rozpraszanej w strukturze podczas pomiaru, napięcie źródła pomiarowego (kolektor emiter) powinno mieć możliwie małą wartość. To samo dotyczy prądu kolektora, którego zmiany, jako parametru termoczułego, wynikają z przyjętego przedziału zmian temperatury. Zakres zmian temperaturowych prądu kolektora należy ograniczyć poprzez dobór wartości napięcia sterującego bramka emiter, doprowadzanego na czas impulsu pomiarowego. Podobnie jak w przypadku diod, należy zapewnić jak najkrótszy czas pomiaru, jednak na tyle długi, by uniknąć wpływu stanów nieustalonych. Układ pomiarowy, zastosowany do wyznaczania wzorcowej charakterystyki temperaturowej tranzystora IGBT i po adaptacji stosowany także do identyfikacji rzeczywistej temperatury wewnętrznej struktury JFET w warunkach roboczych, przedstawiono schematycznie na rys. 1b. Stosując przedstawione na rys. 1. układy pomiarowe wyznaczono charakterystyki odzwierciedlające zależność parametrów termoczułych testowych egzemplarzy od temperatury. Na rysunku 2. przedstawiono typowe charakterystyki zależności napięcia przewodzenia diody krzemowej PiN i diody Schottky ego od temperatury struktury. Podczas pomiarów stosowano różne wartości prądu pomiarowego: 5 A przy diodach krzemowych i 0,5 A przy diodach węglikowo-krzemowych. Rys.1. Schematy układów stosowanych do charakteryzacji parametrów termoczułych: a) układ do pomiarów diod; b) układ do testów tranzystorów IGBT i JFET Fig.1. Scheme of circuits used for characterization of temperature depending parameters of diodes and transistors selected for test: a) diode forward voltage test circuit b) IGBT and JFET collector/drain current test circuit Rys. 2. Przykładowe charakterystyki napięcia przewodzenia diod: krzemowej typu PiN i węglikowo krzemowej typu Schottky ego w funkcji temperatury Fig. 2. Examples of measured characteristics of forward voltage of silicon PiN and silicon-carbide Schottky diodes as junction temperature function 26. ELEKTRONIKA 7-8/2008

3 rystykę tak określonego parametru termoczułego przedstawia rys. 4. Charakterystyki temperaturowe tak wybranego parametru wyznaczone dla różnych egzemplarzy tranzystorów JFET wykazały niewielkie różnice. Podsumowując wyniki uzyskane w etapie poświeconym problemowi identyfikacji temperatury struktury na podstawie charakterystyk parametrów termoczułych należy stwierdzić, że w testach przyrządów można z dokładnością do 2ºC wyznaczyć rzeczywistą temperaturę struktury krzemowych i węglikowo-krzemowych przyrządów. Metoda ma umożliwić identyfikacje parametrów badanych i porównywanych łączników krzemowych i węglikowo-krzemowych z uwzględnieniem temperatury. Pomiary kluczowych parametrów użytkowych Rys. 3. Przykładowe charakterystyki prądu zwarcia tranzystora krzemowego IGBT oraz tranzystora węglikowo krzemowego typu JFET w funkcji temperatury Fig. 3. Examples of measured characteristics of IGBT collector current and JFET drain current as junction temperature function Podobnie na rys. 3 podano charakterystyki podające zależność prądu kolektora krzemowego tranzystora IGBT oraz tranzystora JFET z węglika krzemu od temperatury w warunkach gdy napięcie bramki było dobrane tak, aby tranzystor podczas testu był w stanie aktywnym przy niezbyt dużym prądzie. Z uwagi na właściwości obu typów przyrządów w przypadku IGBT napięcie bramki względem emitera w impulsie testowym było bliskie + 6 V natomiast w przypadku JFET a napięcie bramki względem drenu 9 V (napięcie blokujące JFET a ca 20 V). Pomiary przeprowadzono dla kilku egzemplarzy przyrządów każdego typu sprawdzając jaki jest rozrzut charakterystyk. Pozwoliło to stwierdzić niewielkie różnice (<5%) mierzonych parametrów w przypadku diod krzemowej PiN i IGBT a także diody węglikowo-krzemowej. Ponieważ w przypadku pomiarów prototypowych JFET ów węglikowo-krzemowych stwierdzono znaczny (15%) rozrzut charakterystyk wyznaczonych dla trzech egzemplarzy w zastosowaniu do tych przyrządów sprawdzono pomiarowo zależność rezystancji kanału w stanie otwarcia (napięcie bramka - źródło równe zeru) od temperatury Przykładową charakte- Badania porównawcze wybranych właściwości przyrządów półprzewodnikowych wykonanych z krzemu i węglika krzemu przeprowadzono w odniesieniu do układu łącznika dwukierunkowego, jako typowego i najbardziej charakterystycznego dla współczesnej energoelektroniki (rys. 5a). Specyfika działania takiej gałęzi polega na tym, że o przebiegach wartości chwilowych prądów i napięć podczas przełączania tranzystora i diody jednego łącznika w znacznej mierze decydują właściwości dynamiczne przyrządów drugiego komplementarnego łącznika. Dotyczy to szczególnie procesu załączania tranzystorów, które w początkowej fazie tego procesu przewodzą zarówno prąd odbiornika jak i prąd wsteczny diody zwrotnej, wchodzącej w skład sąsiedniego łącznika danej gałęzi. Przy pomiarach słusznym jest posłużenie się równoważnym układem testowym, w którym badany łącznik jest złożony z tranzystora oraz diody skonfigurowanych jak to przedstawiono na rys. 5b. Biorąc pod uwagę główny cel badań prowadzący do porównania właściwości dostępnych krzemowych i węglikowo-krzemowych przyrządów w zastosowaniach energoelektronicznych do eksperymentów przyjęto jeden typ tranzystora krzemowego IGBT i dwie diody: krzemową typu PiN oraz węglikowo-krzemową typu Schottky. Pomiary przewidziane w programie zostały ograniczone do tych parametrów, które mają decydujący wpływ na sprawność układu. Oznacza to wyznaczenie napięciowo - prądowych charakterystyk przewodzenia oraz przebiegów prądu w tranzystorze i diodzie łącznika w stanach dynamicznych - Rys. 4. Przykładowa zależność rezystancji kanału JFET a w funkcji temperatury Fig. 4. Examples of measured characteristics of JFET channel resistance as junction temperature function Rys. 5. Typowa konfiguracja łączników w gałęzi przekształtnika mostkowego (a) i ekwiwalentny układ stosowany przy testach (b) Fig. 5. Typical configuration of bridge converter leg semiconductordevices (a) and equivalent circuit used for tests (b) ELEKTRONIKA 7-8/

4 przy załączaniu i wyłączaniu tak, by można było określić straty mocy przewodzenia i łączeniowe. Warunkiem poprawności prowadzonych pomiarów jest możliwie dokładne określenie temperatury struktury. Temperatura ta powinna być regulowana i sprawdzana w trakcie pomiarów w zakresie od ºC. Z uwagi na wymagania związane z prowadzeniem testów stanów dynamicznych przy przełączaniu a w szczególności zagwarantowanie odpowiedniej konfiguracji obwodu w badaniach (konieczne krótkie połączenia dla minimalizacji pasożytniczych indukcyjności) i konieczności zastosowania sond pomiarowych o niewielkiej dopuszczalnej temperaturze pracy nie jest możliwe posłużenie się przy pomiarach parametrów komorą termiczną. Z tego względu w badaniach stanów dynamicznych łączników wykorzystano naturalne samopodgrzewania się struktur złączowych energią strat łączeniowych i przewodzenia podczas pracy impulsowej łącznika z określoną częstotliwością [1,9]. tranzystor T x. Można także oddziaływać na straty energii i temperaturę złącz poprzez zmianę wartości rezystora R lub poprzez dobór częstotliwości przełączeń. Obserwacja przebiegów napięć i prądów w stanach ustalonych i podczas załączania i wyłączania łącznika odbywa się przy wykorzystaniu testu dwupulsowego, który z uwagi na swój krótki czas trwania nie powoduje znaczącego dodatkowego nagrzania struktury półprzewodnikowej badanych przyrządów [10]. Każdy cykl pomiarowy składa się z trzech etapów, w których następuje kolejno nagrzewanie i pomiar temperatury złącza (etap I), schłodzenie do temperatury początkowej (etap II) i wreszcie nagrzewanie w warunkach identycznych jak w etapie pierwszym ale zakończone testem dwupulsowym (etap III). Etapy obejmujące procesy nagrzewania trwają przez ten sam, z góry narzucony czas i następują przy zachowaniu takiego samego wysterowania i obciążenia łącznika (identyczne moce grzania) oraz przy identycznych warunkach termicznych. Rys. 6. Układ testowy stosowany do pomiaru parametrów przyrządów półprzewodnikowych i temperatury struktur Fig. 6. Test circuit used for measurement of semiconductor power devices parameters including junction temperature measurement Na rysunku 6. przedstawiono schemat oryginalnego układu testowego, umożliwiającego zarówno sprawdzenie temperatury struktury złączowej na podstawie zmierzonych parametrów termoczułych jak i badania właściwości dynamicznych tranzystora T x i diody D x, tworzących łącznik współpracujący z obwodem LR i wysokowydajnym źródłem zasilającym ±U 3 (450 V, 20 A), zblokowanym przeciwzakłóceniowym kondensatorem C. Tranzystor T L służy do odłączania napięcia U 3, w celu przeprowadzenia pomiarów parametrów termoczułych i wyznaczenia temperatur złącz testowanych przyrządów. I tak, załączenie tranzystora T D wywołuje przepływ impulsu prądu testującego, o poziomie precyzyjnie nastawianym poprzez dobór R D przy danym U 1. Impuls ten wywołuje spadek napięcia na diodzie będący parametrem termoczułym, na podstawie którego dokonuje się dokładnego określenia temperatury złącza diody. Jednoczesne załączenie tranzystorów T T i T x powoduje przepływ impulsu prądu kolektora, który jako parametr termoczuły pozwala na określenie temperatury struktury półprzewodnikowej tranzystora T x. W opracowanym układzie testowym, do sterowania tranzystora T x i tranzystorów T T i T D oraz do precyzyjnego odmierzania czasów nagrzewania zastosowano sterownik DSP. W części pomiarowej stanowiska wykorzystano cyfrowe mierniki temperatury z czujnikami zamontowanymi na radiatorach oraz oscyloskop cyfrowy wraz z sondami do pomiaru napięcia i prądu (TCP-202 oraz cewkę Rogowskiego). Nagrzewanie obu testowanych przyrządów, wynikające z wydzielanych w nich strat energii, jest kontrolowane przede wszystkim poprzez nastawianie współczynnika wypełnienia (PWM) cyklicznych impulsów załączających Rys.7. Przykładowe wyniki pomiarów prądu kolektora jako funkcji temperatury podstawy obudowy oraz temperatury struktury Fig.7. Example measurements of transistor collector current as case and junction temperature depending parameter Dla ułatwienia identyfikacji temperatury struktury badanych przyrządów przeprowadzono dodatkowe pomiary instalując czujnik temperatury w otworze radiatora bezpośrednio pod obudową. Na rys. 7. przedstawiono na wspólnym wykresie charakterystykę obrazującą zależność impulsowego prądu kolektora od temperatury struktury IGBT oraz temperatury radiatora pod podstawą obudowy. Wynika z niego, że różnica temperatur struktury i podstawy obudowy nie jest duża i odpowiada iloczynowi mocy strat i wewnętrznej rezystancji termicznej przyrządu. Oznacza to, że w trakcie pomiarów na podstawie temperatury mierzonej przy podstawie obudowy można oszacować temperaturę struktury. Spośród obszernego zestawu wyników badań łączników z tranzystorami i diodami z krzemu i węglika krzemu, poniżej przytoczono tylko te, które w sposób wyraźny ukazują charakterystyczne właściwości przyrządów z nowego materiału półprzewodnikowego. Wyznaczając podstawowe użytkowe parametry diod i tranzystora przewidzianych do badań porównawczych przyrządów konfigurowanych w łącznik w pierwszym rzędzie zmierzono metodą impulsową charakterystyki napięciowoprądowe diod w stanie przewodzenia. Uzyskane przykładowo 28. ELEKTRONIKA 7-8/2008

5 Rys. 8. Zmierzone charakterystyki napięciowo prądowe w stanie przewodzenia badanych diod krzemowej PiN (15 A/600 V) i krzemowo- węglowej (10 A/300 V) Fig. 8. Voltage current forward characteristics of tested silicon and silicon-carbide diode przy temperaturze 125ºC i przedstawione na rys. 8. wyniki wykazały dużą zgodność z informacjami producenta. Zasadniczą uwagę w prowadzonych pomiarach poświęcono rozpoznaniu procesów łączeniowych i rejestracji napięć i prądów, na podstawie których można wyznaczyć wskaźniki energetyczne umożliwiające efektywne porównanie badanych par łączników krzemowych i węglikowo-krzemowych. Oscylogramy z rysunków 9 i 10, uzyskane w testach dwupulsowych, potwierdzają zasadność oczekiwań związanych z redukcją zarówno początkowego prądu kolektora jak i strat energii przy załączaniu tranzystora IGBT, współpracującego diodą zwrotną wykonaną z węglika krzemu, która charakteryzuje się pomijalnie małym, pojemnościowym prądem i ładunkiem wstecznym. Rys. 9. Rejestracja prądu i napięcia w procesie wyłączania diody krzemowej (a) i węglikowo-krzemowej (b). Fig. 9. Records of diode voltage and current at switching off process: a) Si- PiN diode; b) SiC Schottky diode Rys.10. Rejestracja napięcia i prądu w procesie załączania tranzystora IGBT: a) z diodą Si; b) z diodą SiC Fig.10. Records of IGBT transistor current and voltage during on process: a) with Si -PiN diode; b) with SiC Schottky diode Wskaźniki energetyczne badanych łączników Na podstawie uzyskanych rejestracji stanów dynamicznych zapisanych w postaci plików z próbkami napięć i prądów podczas załączania i wyłączania tranzystora i diod tworzących łącznik wyliczono wartości traconej w nim energii. Wyniki pomiarów energii wydzielanej w przyrządach półprzewodnikowych łącznika złożonego z tranzystora IGBT oraz diody krzemowej i węglikowo-krzemowej zestawiono w tabeli. Przyjęto przy tym następujące oznaczenia: E ond, E offd energia tracona przy załączaniu i wyłączaniu diody (E d =E offd +E ond ); E ont, E offt energia tracona przy załączaniu i wyłączaniu tranzystora (E t =E ont +E offt ), E =E t +E d Zestawienie strat energii łączeniowej w tranzystorze diodzie Set of measured transistor and diode switching energy losses Temperatura złącza [ C] Energia [mj] IGBT z diodą Si IGBT z diodą SiC E ond 0,04 0,04 1,0 Wsp. zmiany strat E offd 0,11 0,02 0,18 E d 0,15 0, E ont 0,62 0,56 0,9 E offt 0,28 0,38 1,35 E t 0,9 0,94 1,044 E 1,05 0,96 0,91 E ond 0,04 0,02 0,5 E offd 0,86 0,01 0,011 E d 0,9 0,03 0,033 E ont 0,75 0,49 0,65 E offt 0,41 0,42 1,024 E t 1,16 0,91 0,78 E 2,06 0,94 0,45 ELEKTRONIKA 7-8/

6 W ostatniej kolumnie tabeli podano współczynnik podający stosunek energii traconej przy przełączaniu w przypadku gdy współpracuje IGBT i dioda SiC do energii traconej przy podobnym przełączeniu w przypadku pary IGBT dioda Si. Można stwierdzić wyraźną redukcję strat w przypadku zastosowania w łączniku diody z węglika krzemu w podwyższonej temperaturze. Badania termiczne łączników z IGBT i diodami Si lub SiC Układ testowy o konfiguracji zgodnej z rys. 6. wykorzystano do oceny całkowitych strat energii wydzielanych w przyrządach tworzących łącznik. Przeprowadzono serię badań, polegających na pomiarze temperatury oddzielnych radiatorów z tranzystorem IGBT (IRG4PC50UD) i diodą krzemową (HFA15TB60) lub diodą węglikowo-krzemową (IDT10C60) w funkcji częstotliwości. Na ich podstawie dokonano porównania strat energii wydzielanych w przyrządach tworzących łącznik, przy stałej wartości prądu obciążenia i różnych współczynnikach wypełnienia. Przyjęto, że wartości temperatur radiatorów, w punktach bezpośrednio przyległych do podstawy zamocowanych na nich obudów przyrządów półprzewodnikowych, są proporcjonalne do całkowitych strat energii wydzielanych w tranzystorze i diodzie łącznika. Każdy pomiar odbywał się po dwóch minutach od uruchomienia łącznika, po uprzednim schłodzeniu obu przyrządów półprzewodnikowych do temperatury początkowej (25ºC). Na rys. 11 przedstawiono wyniki jednego z testów. z diodą z węglika krzemu, szczególnie w zakresie wyższych częstotliwości, są wyraźnie niższe w porównaniu z łącznikiem zawierającym diodę krzemową. Wnioski Zaproponowana metodyka pomiarów parametrów półprzewodnikowych przyrządów mocy ważnych z punktu widzenia właściwości energetycznych została sprawdzona praktycznie na przykładzie łącznika zbudowanego z tranzystora IGBT i diody krzemowej typu PiN lub wymiennie diody węglikowo krzemowej typu Schottky. Na podstawie wyników uzyskanych z uwzględnieniem mierzonej temperatury struktur złączowych potwierdzono oczekiwania co do zmniejszenia strat łączeniowych w przypadku zastąpienia diody krzemowej diodą z węglika krzemu. Zasadniczym powodem tego efektu jest bardzo mały przejściowy prąd wsteczny diody typu SiC-Schottky. Efekt redukcji łączeniowych strat energii jest szczególnie wyraźny przy wysokich temperaturach złącz przyrządów tworzących łącznik. Przeprowadzone testy weryfikujące polegały na pomiarach temperatur radiatorów diody i tranzystora, wchodzących w skład łącznika pracującego z nastawianą w szerokim zakresie częstotliwością. Wykazały one, że całkowite straty energii wydzielane w tranzystorze IGBT, współpracującym z diodą Schottky ego z węglika krzemu są wyraźne mniejsze w porównaniu z łącznikiem z ultraszybką diodą krzemową PiN w całym przyjętym zakresie zmian częstotliwości. Praca naukowa finansowana ze środków na naukę w latach jako projekt badawczy zamawiany. Literatura Rys.11. Temperatury radiatorów diody i tranzystora przy różnych częstotliwościach przełączeń i jednakowym prądzie średnim IGBT i diod Si i SiC (cykl grzania - 2 minuty; współczynnik wypełnienia - 0,5) Fig.11. Case temperature of silicon ( Si) and silicon-carbide SiC) diodes as well as IGBT cooperating with different diodes depending on switching frequency (self-heating cycle 2 min, duty ratio 0.5) Przy założeniu stałych i zbliżonych do siebie wartości rezystancji cieplnych radiatora z tranzystorem i radiatora z diodą zwrotną, z przedstawionych wykresów wynika, że w diodach zwrotnych dominują straty energii w stanach przewodzenia, przy czym niższa temperatura diody Schottky ego z węglika krzemu wskazuje na jej mniejsze łączeniowe straty energii. Wzrastająca wraz z częstotliwością temperatura radiatora tranzystora jest wynikiem dominujących w tym przyrządzie łączeniowych strat mocy, przy czym istotne jest stwierdzenie, że straty energii wydzielanej w tranzystorze współpracującym [1] Janke W.: Zjawiska termiczne w elementach i układach półprzewodnikowych. WNT Warszawa [2] Barlik R., Rąbkowski J., Nowak M.: Przyrządy półprzewodnikowe z węglika krzemu (SiC) i ich zastosowania w energoelektronice. Przegląd Elektrotechniczny, ISSN , R.82 NR 11/2006, ss.1-8. [3] Elasser A., Kheraluwala M.H., Ghezzo M., Steigerwald R.L.,Evers N.A., Kretchmer J., Chow T.P.: A Comparative Evaluation of New Silicon Carbide Diodes for Power Electronics Applications. IEEE Transactions on Industry Applications, Vol.39, No.4, 2002, pp [4] Liang Z., Lu B.,Van Wyk J.D., Lee F.C.: Integrated Cool MOS FET/Si Diode Module for High Performance Power Switching. IEEE Transactions on Power Electronics,Vol.20, No.3,May 2005, pp [5] Marckx D.A.: Breakthrough in Power Electronics from SiC, National Renewable Energy Laboratory, NREL/SR , March [6] Funaki T., Balada J.C,,Junghans J., Kashyap A.S., Mantooth H.A., Barlow T., Kimoto T., Hikihara T.: Power Conversion with SiC Devices at Extremaly High Ambient Temperature, IEEE Trans. on Power Electronics, vol. 22, Issue 4, July 2007, pp [7] Richmond J.: Hard Switched Silicon IGBTs? Cut Switching Losses in Half with Silicon Carbide Schottky Diodes, Application Note VPWR-AN03, CREE. [8] Szmidt J., Konczakowska A., Tłaczała M., Lisik Z., Łuczyński Z., Olszyna A.: Nowe technologie na bazie węglika krzemu i ich zastosowania w elektronice wielkich częstotliwości, dużych mocy i wysokich temperatur. VI Krajowa Konferencja Elektroniki, Darłówko Wschodnie, czerwca 2007, t. 1/2, s.67. [9] Oleksy M., Janke W.: SiC and Si Schottky Diodes Thermal Characteristcs Comparison. International Conference Microtechnology and Thermal Problems in Electronics, MicroTherm 2007, Jun 2007, Łódź, pp [10] [11] ELEKTRONIKA 7-8/2008