El logro de buenos resultados de pérdida por la alta velocidad de conmutación a baja resistencia de puerta supone un  “trade-off” con el comportamiento EMI del sistema. Mitsubishi ha desarrollado una plataforma de evaluación para caracterizar módulos IGBT 6 en 1 y para determinar su dv/dt frente a las pérdidas de “turn-on” en función de la resistencia de puerta. La investigación eléctrica concluye con una tabla que indica el “trade-off” entre la pérdida de energía en la conexión frente a dv/dt, parametrizado como una función de la suma de la resistencia de puerta interna y externa de un módulo IGBT 6 en 1 150 A/1200 V. La parte de fuente de alimentación conmutada (SMPS) de la plataforma de desarrollo se ha analizado térmicamente.

Figura 1.

1. Introducción
Ajustar el rendimiento EMI de un sistema es una tarea compleja, ya que los parámetros que influyen son numerosos y requieren una investigación detallada.
Así, el cambio de una unidad o una etapa de potencia de un SAI, por ejemplo, mediante la mejora de un módulo semiconductor de potencia es una tarea que lleva su tiempo. El estudio llevado a cabo en este documento se limita al controlador de la puerta y su “trade-off” vinculado entre dv/dt, y específicamente, la pérdida de energía en la conexión. Analizando la dependencia del comportamiento de conmutación, especialmente el dv/dt como una función de la resistencia de la puerta por un lado, y por el otro, la pérdida del IGBT estando muy influenciada por la elección de las condiciones de control de la puerta, se puede establecer una relación entre la pérdida IGBT y el comportamiento EMI potencial. La investigación resulta en un gráfico donde se presentan, la pérdida de energía en la conexión, la resistencia de la puerta y la tasa de conmutación de tensión (dv/dt).

Por otra parte, una plataforma compacta de evaluación “Placa de evaluación”, que comprende el controlador aislado del IGBT y el convertidor CC/CC para operar el módulo IGBT 6 en 1 equipado con un CSTBTTM de última generación y un diodo de efecto volante (FwDi), se presenta y analiza, utilizando la termografía. En un primer momento, las pruebas de conmutación utilizando generadores de múltiples impulsos se llevaron a cabo bajo las presuntas peores condiciones. Mientras que la pérdida de conmutación generalmente es peor en los casos de alta tensión de bus de continua junto con alta corriente de colector y alta temperatura de unión del dispositivo en pruebas, el comportamiento dv/dt, en contraste con esto, es más grave a nivel de temperatura ambiente y bajas corrientes. Aplicaciones como los controladores de motor y los Sistemas de Alimentación Ininterrumpida (SAIs) se someten a todas estas diferentes condiciones durante la operación, por ejemplo, desde arranque en frío a funcionamiento con altas cargas y sus correspondientes altas temperaturas de unión.

2. Prueba de la configuración y los parámetros
2.1 Pérdida de energía en la conexión (Eon)
Todas las mediciones para caracterizar la pérdida de energía en la conexión se llevaron a cabo en un módulo IGBT 6 en 1 150 A/1200 V. La medición de la pérdida necesita sólo 1 fase del módulo. La configuración de la prueba se muestra en la figura 1, mientras que las condiciones de esta prueba se mencionan en la tabla 1.

Las energías de conmutación medidas son una consecuencia de la pérdida de potencia instantánea integrada dentro de los límites de tiempo especificados 10% de la corriente de conmutación y 10% del suministro de tensión Vcc aplicado. La figura 2 indica estos límites.

2.2 Medición dv/dt
La adquisición de la información dv/dt se realiza en un punto de especificación donde se esperan los valores más altos dv/dt como se mencionó en la introducción, por ejemplo a corrientes bajas y temperaturas comparativamente frías.
Esta evaluación del peor caso ha determinado el 10% de la corriente nominal del IGBT y una tensión de alimentación DClink de 600 Vcc. De hecho, el RBSOA de la sexta generación de chipset CSTBTTM cubriría hasta 850 V, pero por el bien de muchas aplicaciones de control de motores que se suministran sin entrada activa, se ha elegido el valor de 600 Vcc. Todas las condiciones de control se muestran en la tabla 2.
El circuito de prueba propuesto originalmente en la figura 1 para la energía de encendido se ha modificado para mantener el dispositivo en pruebas “no flotante”. Esta modificación de la configuración de la prueba permite mantener el osciloscopio a un potencial estable y no flotante. La configuración de prueba utilizada para la medición dv/dt se muestra en la figura 3:

3. Plataforma de evaluación
3.1 Diseño de la placa de evaluación
Estas pruebas se pueden realizar utilizando una placa de evaluación dedicada (EVB) como se muestra en la figura 4.
La solución de 2-PCBs que es mostrada en la figura 4 enseña la construcción de esta placa de evaluación: un circuito controlador IGBT con detección de desaturación integrado situado en la parte superior del módulo IGBT, y el convertidor aislado DC-DC se emplea para cada IGBT en la segunda placa en la parte superior de la placa del controlador de puerta. Las resistencias de puerta se pueden seleccionar en toda la gama recomendada de los IGBT disponibles en este encapsulado y el convertidor DC-DC diseñado cubre la gama completa de módulos IGBT 6 en 1 que utilizan CSTBTTM de 6ª generación teniendo en cuenta frecuencias de conmutación de hasta 20 kHz.

Figuras 2a y 2b: Intervalo de integración de la pérdida de conmutación a consecuencia de la energía de conmutación de encendido (Eon).

El aislamiento de seguridad entre las entradas de control y la salida IGBT se ha realizado por el foto acoplador y un aislamiento reforzado del convertidor DC-DC.

3.2 Diseño del la PCB
Además, el diseño de esta plataforma de evaluación se convierte en algo crítico debido a las limitaciones de espacio que afectan a las distancias de clearance y creepage alcanzables. Como se presenta en la figura 4, la placa de evaluación consiste en realidad en dos PCBs que están montados uno encima del otro y que están interconectados por pinheaders.

La El PCB cercano al módulo IGBT contiene el aislamiento eléctrico de la etapa de entrada y el mismo circuito de control de puerta, mientras que el PCB en la parte superior del circuito de control de puerta contiene el convertidor de DC-DC suministrando a los circuitos de control de puerta individualmente para cada canal. El consumo de energía estimado por canal se deriva de la cantidad (comparativamente pequeña) de carga de puerta de la CSTBTTM de 6ª generación utilizada en los niveles de tensión específicos de puerta para el encendido y apagado, respectivamente, y una gama de posibles frecuencias de conmutación.
Calculando la necesaria etapa de potencia del controlador de puerta para el módulo más grande disponible en una configuración 6 en 1, por ejemplo, un dispositivo 150 A/1200 V, a una frecuencia de conmutación máxima de 15 kHz y considerando una polarización positiva de 15 V, y 8 V como polarización negativa, hará necesario un requisito de potencia de aproximadamente 1W por canal controlador.

En un enfoque conservador, el convertidor DC-DC, realizado en una topología push-pull, ha sido diseñado para entregar 1,5 W por canal del controlador del IGBT. Después de haber mencionado antes la dificultad de proporcionar distancias suficientes de clearance y creepage resulta que a pesar de la escasa superficie de la estructura del encapsulado IGBT y la complejidad de la disposición de las clavijas, es posible alcanzar aproximadamente 5,5 mm de clearance y creepage en la placa controladora IGBT. El diseño del convertidor de DC-DC revela más dificultades.

Figura 3.

Una vez elegidos  unos considerables grandes núcleos EE-13,5 y principalmente componentes montados por cable (THT) para el primer prototipo convertidor DC-DC de la placa de evaluación, la distancia de clearance alcanzable estaba limitada sólo a cerca de 3,5 mm. Una próxima revisión de esta placa tiene como objetivo llegar a 5,5 mm o más distancia de clearance y creepage permitiendo la utilización de esta plataforma en altos grados de contaminación. Haciendo referencia a la abundante potencia de este diseño SMPS, los objetivos de clearance y creepage se pueden alcanzar mediante el ajuste de la potencia de la SMPS y la selección de tamaños más pequeños de núcleo de ferrita, así como la utilización de componentes de montaje superficial para la estabilización de las polarizaciones positiva y negativa de las tensiones suministradas de controlador de puerta. El PCB del convertidor CC a CC contiene adicionalmente un circuito para transferir la información de temperatura proporcionada por la NTC incorporada en la carcasa del módulo IGBT a través de una barrera de aislamiento de seguridad al pinheader de control en la parte superior de la placa. Además de la evaluación de rendimiento eléctrico, se analizó el rendimiento térmico del convertidor DC-DC.

Figura 4: EVBNX 6 en 1 y su solución de 2 PCB. Abajo: controlador IGBT, arriba: convertidor CC/CC

Figura 5: Dos controladores IGBT adyacentes en la placa controladora y la distancia de creepage.

Figura 6: Imagen térmica del convertidor CC-CC

3.3 Evaluación eléctrica y térmica
El convertidor DC-DC y el rendimiento de la etapa de pérdida del controlador han sido evaluados durante la etapa de diseño por simulación. En el primer prototipo se ha llevado a cabo una evaluación y verificación térmica para demostrar resultados teóricos anteriores. La imagen de una cámara IR observando el convertidor de DC-DC bajo (sobre-) carga, por ejemplo 1,5 W por canal IGBT y los 6 canales funcionando se muestran en la figura 6. La foto fue tomada después de que el equilibrio térmico se alcanzó a una temperatura ambiente de 21°C. Toda la superficie ha sido pintada de negro proporcionando un coeficiente de emisión uniforme de 0,99 para toda la PCB y sus componentes montados. Se han elegido cinco puntos de referencia para este análisis, como se muestra en la figura 5. Mientras que en resultados de evaluación térmica,  de las condiciones de funcionamiento con carga máxima son más relevantes, una evaluación eléctrica de un SMPS también debe considerar el rango de carga completo, por ejemplo, de 0% a 100% (150%) de la carga para probar la estabilidad suficiente de la tensión suministrada. La imagen térmica describe que muchos transformadores pequeños se utilizan en paralelo en este diseño del ensayo y, por tanto, también se debe considerar el equilibrio de las tensiones secundarias.

El control de lazo cerrado de la SMPS dio resultados satisfactorios, con pequeñas y aceptables variaciones de tensión a lo largo de todo el rango de carga. La temperatura bastante heterogénea de la placa tal como se revela en la figura 6, sin embargo, requiere un análisis más profundo.
En este punto de referencia de la imagen térmica nº 5, es el punto más alejado de las fuentes de calor y contiene la información de la temperatura base del PCB

Figura 7: “trade-off” entre Eon y dv/dt como función de la pérdida de resistencia de puerta (sobre la base de medición de la muestra “ES”)

Los puntos indicados se asignan a los números 1 a 5 y corresponden a las siguientes etapas del convertidor DC-DC indicado en la tabla 3.
El punto de referencia con la temperatura más alta de 70,8°C está 49,8K por encima de la temperatura ambiente.

Se debe realizar un análisis posterior más profundo de los componentes que tienen las temperaturas de encapsulado más altas de acuerdo con la figura 6. Teniendo en cuenta la pérdida individual de los componentes marcados, y calculando el aumento de la temperatura interna mediante la utilización de la resistencia térmica individual Rth (j-c) de cada componente permite juzgar la seguridad de este diseño y su fiabilidad. La temperatura más alta de unión se encuentra en el número de referencia 4, por ejemplo en el circuito de estabilización de la tensión positiva de puerta.

En este caso la temperatura más alta medida en la superficie corresponde de hecho, con la temperatura de unión más alta calculada. La solución de convertidor DC-DC proporciona, incluso bajo aproximadamente 1,5 veces sobrecarga, un diseño térmicamente estable y revela margen que se podría utilizar para hacer el diseño más compacto o para aumentar la temperatura ambiente máxima permitida de la plataforma de evaluación.

4. Resultados
Los resultados compilados de las pruebas de pérdida de energía en la conexión (Eon) y de las pruebas dv/dt se indican en el siguiente gráfico de la figura 7. Los resultados dv/dt y Eon se muestran conjuntamente en esta figura que tienen los valores  de la resistencia puerta como parámetro. Además del EMI, el dv/dt se considera que también tiene un impacto sobre el envejecimiento de los bobinados. El EMI, además del IGBT/FwDi y su velocidad de conmutación como fuente, está también influenciada por mecanismos de propagación, tales como el acoplamiento capacitivo. Una actualización de módulo IGBT implica que la propagación de EMI/EMC básicamente no cambia, excepto en la construcción interna del módulo. Los nuevos módulos propuestos usan todos nitruro de aluminio (AIN), como placa base que permite la reducción de la capacidad de acoplamiento entre las huellas y los lados colectores de los chips a tierra, aumentando el grosor del sustrato en comparación con Al2O3 convencional. Para tener una referencia de los resultados de Eon frente a dv/dt de un módulo estándar industrial sin esta nueva 6ª generación CSTBTTM y FwDi se ha representado en la figura 7, también. En la comparación de estas dos tecnologías diferentes, el módulo con chips de 6ª generación ofrece un mejor “trade-off” entre  dv/dt y la pérdida de energía en la conexión específica. Por lo tanto, una mejor solución para un chip superior, mantiene un cierto nivel dv/dt de una solución industrial estándar. La gama de set-ups dv/dt en inversores dependerá de la aplicación final de las etapas de potencia. Las aplicaciones con filtro de salida dedicado funcionan a altos niveles dv/dt en comparación con las aplicaciones de control de motores.

Especialmente para aplicaciones de control de motor, los valores típicos de dv/dt se pueden observar en menos de 8kV/?s y generalmente bastante más cerca de 4kV/s.

5. Conclusión
El estudio en un módulo IGBT 6 en 1 equipado con el nuevo chipset probado y un nuevo FwDi ha demostrado una pérdida de conmutación superior frente al rendimiento dv/dt que las generaciones anteriores de los módulos IGBT.
La mejora de este “trade-off” conduce a controladores de mejor rendimiento, o a su vez, a una ventaja de coste potencial debido a una reducción del filtro EMI.

Autor:

Marco Honsberg*, Thomas Radke*, Kazufumi Ishii**, Jokou Manotobu**
* Mitsubishi Electric Europe B.V., Germany
** Mitsubishi Electric Corporation PDW, Fukuoka, Japan

6. Bibliografía

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 3.    T. Ohi et al.: Novel over current protection methods for IGBT drivers using gate voltage monitoring, EPE 2003
 4.    Lawrence. Curran: Switching Power Supplies, EDN, pp. 19-23, Feb 2001
 5.    Mark I. Montrose: Printed Circuit Board Design Techniques for EMC Compliance, Wiley-IEEE Press Series on Electronics, June 6. Skuriat, R., Johnson, C.M.: Thermal Performance of Baseplate and Direct Substrate Cooled Power Modules, 4th IET conference on PowerElectronics, PEMD, York, 2008

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