Hemos desarrollado un módulo de potencia híbrido SiC de 1,7 kV que consiste en un nuevo desarrollo de la 6ª generación Si-IGBT y SiC-SBD. La adopción de SiC-SBD permite una significante reducción de la pérdida de potencia durante el “turn-off” del diodo y el “turn-on” del IGBT. La adopción de la 6ª generación  IGBT permite la reducción de la pérdida del “turn-off” del IGBT. Al utilizar el conjunto de chips recientemente desarrollado, el gel duradero de alta temperatura, y el diseño adecuado del chip, el nuevo desarrollo del módulo híbrido SiC puede trabajar a Tj=150°C, aunque la temperatura de funcionamiento máxima de la serie N convencional de módulos Si sea de 125°C.

En este artículo se describe el diseño y el rendimiento eléctrico del módulo de potencia híbrido SiC.
Shigeru Hasegawa *, Kazuhiro Morishita *, * Yukimasa Hayashida, Shinichi Iura *, Kazuhiro Kurachi *, Isao Umezaki *, * Hiroshi Yamaguchi, Yoshinori Matsuno *, * Tatsuo Harada, Hiroshi Watanabe *, * Yasushi Nakayama, Takayoshi Miki *, Mitsutaka Iwasaki *, * Takeshi Oi, Tatsuo Oomori *, Hiroaki Sumitani *, Eugen Stumpf **
* Mitsubishi Electric Corporation, Japón
** Mitsubishi Electric Europe B.V., Alemania

1. Introducción
El ahorro de energía es una gran preocupación para el medio ambiente del planeta. Los módulos semiconductores de alta potencia son el dispositivo clave para la eficiencia de la electrónica de potencia.

Hoy en día los módulos IGBT-Si son ampliamente utilizados para equipos de potencia, como ferrocarriles, automóviles y equipos de control de motores industriales. Recientemente, los dispositivos de potencia de carburo de silicio (SiC), están siendo investigados para mejorar los dispositivos convencionales Si. Ya hemos informado acerca de las características eléctricas del prototipo del módulo de potencia híbrido SiC [1]. Ahora hemos desarrollado un módulo de potencia híbrido SiC de 1,7 kV de alta intensidad de corriente y baja pérdida de potencia que consta de un nuevo desarrollo Si-IGBT y SiC-SBD para como diodo de efecto volante. En este artículo se describe el diseño y el rendimiento eléctrico del recién desarrollado módulo de potencia híbrido SiC.

2. Diseño del módulo de potencia híbrido SiC de 1,7 kV.
2.1. SiC-SBD y Si-IGBT
El carburo de silicio (SiC) tiene una resistencia a la ruptura de campo eléctrico alrededor de diez veces mayor que el silicio (Si). Así, el espesor del chip de potencia SiC puede ser más delgado que el chip de potencia de Si. Esto permite una significativa reducción de la pérdida de potencia del dispositivo de potencia de SiC, en particular para semiconductores de alta tensión. El SiC permite el uso de diodos Schottky-Barrier (SIC-SBD) para aplicaciones de alta tensión, que no son  posibles con el Silicon-SBD, debido a su alta tensión de trabajo. El SBD es un dispositivo unipolar y no tiene ninguna acción de recuperación inversa durante el “turn-off” del diodo. Dado que no hay portadores de acumulación en un SBD, la pérdida convencional de recuperación inversa del diodo se reduce a un nivel insignificante en comparación con un diodo Si convencional.

Por otra parte, la perdida de “turn-on” del IGBT también se reduce debido a que la carga de recuperación del diodo no se superpone a la corriente “turn-on” del IGBT.
El módulo de potencia híbrido SiC de 1,7 kV consiste en Si-IGBTs y SiC-SBDs. La figura 1 muestra la foto del chip SiC-SBD de 1,7 kV. El tamaño del chip es de 6,58 mm x 6,58 mm.

Se ha optado por una estructura de terminación delimitante en forma de anillo, que está diseñada para obtener el campo eléctrico uniforme, y consigue más de 1,9 kV de tensión de bloqueo a temperatura ambiente.

La reciente generación del Si-IGBT de 1,7 kV utilizada en nuestro módulo IGBT de alta tensión (HV-IGBT) Si de la Serie N, es la 5ª generación CSTBT™. Una nueva sexta generación de CSTBT™ de 1,7 kV se ha desarrollado mejorando el diseño de la celda IGBT y la estructura vertical. Y el trade-off entre la tensión en activo y la pérdida de “turn-off” también se ha mejorado en comparación con el módulo convencional Si de la serie N.

2.2. Diseño del módulo híbrido SiC
El esquema del nuevo módulo de potencia híbrido SiC de 1,7 kV se muestra en la figura 3. Este esquema es compatible en encapsulado con el módulo convencional Si de la serie N.

La figura 4 muestra el diagrama de circuito interno. Se integran dos brazos en un módulo. La corriente nominal de un brazo una rama es 1,2 kA. Así que este módulo es un módulo dual de 1,2 kA.

La figura 5 muestra el diseño interno del módulo. Un módulo consta de cuatro sustratos como se muestra en la figura 6. Cada brazo  rama de 1,2 kA consta de dos sustratos.
Un sustrato se compone de cuatro SI-IGBTs y ocho SiC-SBDs. La cantidad y el tamaño de Si-IGBT es el mismo que en el módulo Si convencional, pero el tamaño del SiC-SBD es más pequeño y la cantidad es mayor que en el de módulo Si. Esto depende del bajo rendimiento del chip SiC de gran tamaño y se desearía una mejora de la calidad de la oblea SiC.

La temperatura máxima de funcionamiento del módulo convencional de la serie N Si es de 125°C. Al utilizar el conjunto de chips desarrollado recientemente, el gel duradero de alta temperatura, y el diseño de chip adecuado, nuestro módulo híbrido SiC desarrollado recientemente puede funcionar a Tj=150°C.
Muchos chips SiC-SBD están conectados en paralelo. Como resultado, el módulo híbrido SiC desarrollado tiene una gran capacidad de corriente dual de 1,2 kA  por el diseño optimizado del chip y la estructura del módulo.

3. Rendimiento eléctrico del módulo híbrido SiC
3.1. Características estáticas
La figura 7 muestra las curvas de tensión en activo del Si-IGBT, del módulo híbrido SiC, medido a Tj=25°C y 150°C. La curva de tensión en activo del SiCSBD se muestra en la figura 8. A Tj=150°C, la caída de tensión en activo a corriente nominal de 1,2 kA del IGBT es VCEsat=2,30 V, y la del SiC-SBD es Vec=2,30 V.
Tanto el Si-IGBT como el SiC SBD-tienen un coeficiente de temperatura positivo. Esto es una ventaja para el módulo de alta corriente que consta de muchos chips en paralelo.

3.2. Características de conmutación a corriente nominal
La figura 9 muestra la forma de onda de conmutación “turn-off” del SIC-SBD medida en condiciones nominales, IF=1,2 kA, Vr=850 V y Tj=150°C. El diodo convencional Si es un dispositivo bipolar, con una carga de recuperación inversa durante el “turn-off” del diodo. El SiC-SBD es un dispositivo unipolar sin carga de recuperación inversa y sólo hay ruido debido a la carga de la capacidad de la unión. La pérdida “turn-off” del diodo Si (pérdida de recuperación inversa) con el mismo ratio de la serie N Si a corriente nominal, es 0,22 J/pulso a Tj=125°C, la pérdida “turn-off” del diodo del módulo híbrido SiC desarrollado, a corriente nominal es 0,01 J/pulso a Tj=150°C. En comparación con el módulo convencional Si, la pérdida “turn-off” del recién desarrollado módulo híbrido SiC se reduce en un 95% a pesar de la alta temperatura de funcionamiento.

La figura 10 muestra la forma de onda de la conmutación “turn-on” del Si-IGBT a corriente nominal (1,2 kA) y Tj=150°C. El diodo de efecto volante es SiC-SBD sin carga de recuperación inversa por ello, la pérdida “turn-on” Si-IGBT también se reduce. La pérdida “turn-on” IGBT de la serie N convencional al mismo ratio a corriente nominal es 0,40 J/pulso a Tj=125°C. La pérdida “turn-on” IGBT del módulo híbrido SiC desarrollado, a corriente nominal es 0,18 J/pulso a Tj=150°C. En comparación con el módulo convencional Si, la pérdida “turn-on” IGBT del módulo híbrido SiC se reduce en un 55% a pesar de una mayor temperatura de funcionamiento.

La figura 11 muestra la forma de onda de la conmutación “turn-off” de la recién desarrollada 6ª generación Si-IGBT a corriente nominal (1,2 kA) a Tj=150°C. La tensión en activo VCEsat es 2,30 V y la pérdida “turn-off” es 0,34J/pulso a Tj=150°C. En el caso del módulo convencional Si, la tensión en activo (VCEsat) es 2,60 V y la pérdida “turn-off” es 0,37 J/pulso en condición nominal a Tj=125°C. Por lo general, la tensión en activo VCEsat y la pérdida “turn-off” IGBT tienen una relación “trade-off”. Al comparar el rendimiento IGBT del recién desarrollado módulo híbrido SiC con el módulo Si convencional (Serie N), la VCE(sat) es de unos 0,3 V inferior, mientras que la pérdida “turn-off” es casi igual o menos. Además, la temperatura de funcionamiento es mayor.
La Tabla 1 muestra la comparación de las características medidas del módulo  híbrido SiC desarrollado y el módulo convencional Si de la serie N de mismo ratio.
A pesar de la mayor temperatura de funcionamiento Tj=150°C, del módulo híbrido SiC, comparado con Tj=125°C del módulo Si, se alcanza una reducción significativa de la pérdida de potencia.

3.3. Capacidad de conmutación SOA
Aunque la corriente nominal del módulo híbrido SiC es alta y la temperatura máxima de funcionamiento es Tj=150°C, este tiene una amplia capacidad de conmutación. El módulo híbrido SiC tiene una amplia capacidad “turn-off”.
La figura 12 muestra la forma de onda del “turn-off” IGBT en condiciones de alta corriente a Tj=150°C y la tensión del enlace DC, Vcc=1,2 kV. En esta prueba, una corriente de 4,1 kA, que es más de tres veces la corriente nominal, se apaga con seguridad. La figura 13 muestra la capacidad de cortocircuito del módulo híbrido SiC a Tj=150°C y Vcc=1,2 kV. A pesar de que la tensión estándar de puerta es de 15 V, el módulo híbrido SiC tiene la capacidad de corto circuito con la condición de VGE=18 V.

4. Conclusión
Hemos desarrollado un módulo de potencia dual híbrido de 1,7 kV y 1,2kA que consta de un nuevo desarrollo Si-IGBT y SiC-SBD. La adopción de SiC-SBD permite una reducción significativa de la pérdida de potencia durante el “turn-off” del diodo y “turn-on” del  IGBT. Y adoptando el IGBT de 6ª generación también permite la reducción de la pérdida “turn-off” del IGBT. Al utilizar este conjunto de chips desarrollado recientemente, el gel duradero de alta temperatura, y el diseño de chip adecuado, el recién desarrollado módulo híbrido SiC puede funcionar a Tj=150°C aunque la máxima temperatura de funcionamiento de los módulos Si de la serie N convencional es de 125 ° C.

En comparación con el módulo Si de la serie N de mismo ratio, la pérdida “turn-off” del diodo del recién desarrollado módulo de potencia híbrido SiC se reduce en un 95%, y la pérdida “turn-on” del IGBT se reduce en un 55%, respectivamente, a pesar de la mayor temperatura de funcionamiento.
Cuando se comparan con el módulo Si, la tensión IGBT en activo del módulo de potencia híbrido SiC es menor que la del módulo Si convencional en 0,3 V, pero la pérdida “turn-off” es casi igual o menor, a pesar de la mayor temperatura de funcionamiento. Aunque la corriente nominal del módulo híbrido SiC es alta y la temperatura máxima de funcionamiento Tj=150°C, tiene una amplia área de conmutación, como la alta corriente “turn-off” y la capacidad de corto circuito. La ventaja del nuevo módulo de potencia híbrido SiC de 1,7 kV desarrollado, ha sido confirmada.

Bibliografía

 1. Y.Nakayama, T.Kobayashi, R.Nakagawa, K.Hata-naka, S.Hasegawa: Railway motor operation estimation by inverter with SIC-SBC, The 2010 Annual Meeting I.E.E. Japan, 4-139

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