El IGBT es un semiconductor muy común  en la etapa de salida de un sistema de energía eléctrica, por ejemplo, en un inversor, en una fuente de alimentación y en el control de movimiento. En el caso de los módulos IGBT que integran el chip de potencia en un encapsulado aislado,  es posible ofrecer una amplia gama de potencia desde menos de 1 kW a más de 1 MW. El primer paso para las series NX fue ofrecer un mayor grado de flexibilidad  en el encapsulado [1]. 

Sin embargo, minimizar la disipación de potencia  del módulo IGBT es también un punto clave para los usuarios que demandan un costo total menor del sistema, lo que incluye la supresión de EMI, y el aumento de vida útil a largo plazo. Al mejorar nuestra tecnología CSTBT™ como segundo paso en el desarrollo de la serie NX, estamos en condiciones de ofrecer una solución más adecuada.

Serie NX del módulo IGBT

 Generalmente, los módulos IGBT se han diseñado en diferentes tamaños para satisfacer las necesidades de espacio y de coste. Además, la gama de módulos IGBT consta de muchos diferentes elementos del encapsulado, como el tipo de encapsulado, base, terminal, aislante y chips de potencia. En la gama de la serie NX se han empleado  encapsulados unificados y de procesos comunes de montaje lo que nos permite ofrecer una amplia gama y varios módulos de circuitos, no sólo individuales, sino como 2 en 1, 7  en 1, CIB (convertidor-inversor-freno), etc. También estamos en condiciones de ofrecer otras configuraciones únicas demandadas en algunas aplicaciones. Algunos tipos de encapsulados se muestran en la Figura 1. La flexibilidad se ofrece tanto para la configuración del circuito como para el diseño del terminal.

Tecnologías de chip
Progreso del chip IGBT
La Figura 2 muestra la FOM, que indica la transición del rendimiento del IGBT. La FOM se define como la densidad de corriente del chip (JC, dividido por el producto de la tensión de saturación (VCE(sat)) y la pérdida de energía en la desconexión (Eoff ) por impulso por unidad de corriente en la conmutación inductiva a Tj= 125 °C. La tecnología CSTBTTM tiene mejor FOM que la tecnología trench IGBT. La FOM de la sexta generación de IGBT de Mitsubishi es un 30% mayor que la de 5 ª generación.

Sexta generación IGBT
La sexta generación del chip IGBT se basa en la avanzada tecnología CSTBTTM. La Figura 3 compara las vistas de la sección transversal de la 6ª generación IGBT con la 5ª generación IGBT convencional. Ambos tipos comparten un concepto común de la tecnología CSTBTTM al utilizar el efecto Carrier Stored (CS). Como primer paso en el desarrollo de la sexta generación de IGBT, la estructura de la oblea fue modificada desde una tecnología NPT (Non Punch Through) a una tecnología LPT (Light Punch Through), mediante el desarrollo de una tecnología de proceso de obleas delgadas [2]. En segundo lugar, el diseño de la celda se optimizó con el fin de mejorar la relación “trade-off” VCE(sat) -Esw(off).
Estrechando el surco de  la celda y optimizando el dopaje de la capa CS se mejora el efecto CS en esta capa [3]. El resultado es que se logra una drástica mejora en la relación “trade-off”  VCE(sat)-Esw(off), como se muestra en la Figura 4. Otra consideración importante, es que el rendimiento en la  pérdida de potencia del IGBT tiene una relación “trade-off” con la SCSOA (Área de seguridad de corto circuito). La Figura 5 muestra los datos obtenidos de SCSOA para la sexta generación de chips  IGBT. La Optimización de la capa CS y el diseño de celda proporcionan más de 10 ms de capacidad  de soporte de cortocircuitos sin sacrificar el rendimiento de  pérdida de potencia del IGBT.

Nuevo diseño FWDi
La Figura 6 muestra la estructura de un nuevo diseño de un diodo de efecto volante (FWDi) en comparación con un FWDi convencional. Como se muestra en la Figura 7, la tecnología de proceso para obleas delgadas contribuye en la mejora de la relación “trade-off” entre la tensión directa VF y la recuperación de pérdidas de conmutación Esw(rec).

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Comportamiento en la conexión
La reducción de la relación dv/dt en la conmutación de encendido normalmente ayuda a suprimir el ruido EMI que irradian los equipos.  Por lo general, mediante el control de la velocidad  de la puerta del circuito externo, el dv/dt de encendido se puede reducir, de lo contrario, la reducción de dv/dt aumentará la pérdida en el encendido (Esw(on)) en el chip IGBT. La Figura 8 muestra la relación “trade-off” entre Esw(on) y dv/dt. La velocidad de conmutación se puede controlar cambiando la resistencia de la puerta. El Esw(on)  de la 6ª generación de chips IGBT es un 20% menor que la de los IGBT convencionales en el punto en que dv/dt = 7,5 kV/ms, que nosotros asumimos como hipótesis para la condición de usuario.
La suavidad del valor inverso de recuperación en el FWDi y la capacidad de transferencia inversa (Cres) en el IGBT contribuye a mejorar la relación de “trade-off”  Esw(on)-dv/dt. Este resultado implica que IGBT 6ª generación tiene una gama más amplia de selección y una buena capacidad de control de la pérdida de potencia en función del nivel de ruido.

Comportamiento en la desconexión
En el momento de la desconexión hay múltiples agujeros de pares de electrones y electrones libres en la capa N, por lo que el colector de corriente no puede detenerse repentinamente. La corriente en el colector disminuye gradualmente durante un período de tiempo, que depende de la vida del electrón. Casualmente, la 6ª generación IGBT mejora la corriente de cola por la optimización de la estructura LPT. La Figura 9 muestra las formas de onda en la desconexión. La corriente de cola de la sexta generación de chips IGBT es más baja que la de la quinta generación. Una baja corriente de cola conduce a menores pérdidas Esw(off).

Rendimiento de pérdida de potencia
La pérdida de potencia en aplicaciones generales de inversor PWM se ha estimado para ambas generaciones 5ª y 6ª de módulos IGBT, (ver figura 10), para un módulo de 1200 V/150 A nominal usado en plena capacidad de carga 30 kW en 400 VAC. La resistencia de la puerta fue seleccionada en cada dispositivo para que la relación dv/dt diera el mismo valor (7,5 kV/ms).  La pérdida de energía total en un chip IGBT/FWDi consiste en la pérdida de conmutación y la pérdida estática. Nuestros cálculos muestran que las pérdidas del módulo de sexta generación IGBT son un 20% más bajas que las del módulo convencional.

Simulación térmica
La simulación térmica de la serie NX se muestra en la Figura 11. La simulación fue realizada suponiendo un dispositivo de ratio 1200 V/1000 A  de la serie NX, encapsulado 2 en 1 y una entrada de 400 V, corriendo un inversor de capacidad 185 kW en funcionamiento a plena carga. La temperatura de la unión (Tj para un módulo IGBT de 6ª generación tiene un promedio de 25 °C más baja que la de los IGBT convencionales. La temperatura en la unión del nuevo FWDi tiene un promedio de 21 °C más baja que del FWD  convencional. Por tanto, es posible reducir el espacio, peso y costo en el sistema de refrigeración.

Limites de fiabilidad
En muchos casos la vida útil del módulo IGBT está dominada por la fatiga térmica en la unión en el modo de funcionamiento intermitente. La Figura 12 muestra la vida del último módulo de la serie NX en comparación con el viejo módulo (serie H). La serie NX con sus IGBT de 6ª generación tiene la misma vida que la actual serie NX y es mejor que la serie H. Casualmente, un aumento en el límite máximo de la temperatura de la unión, Tj, también es visto como un requisito cuando se consideran los diseños de nuevos equipos de potencia. Las series NX con su 6ª generación IGBT permiten el funcionamiento del límite máximo de temperatura, Tj  de 175 °C. La serie NX ha sido probada bajo dos condiciones de funcionamiento (Tj(máx)=125 °C y Tj(máx)=175 °C). En Tj(máx)=175 °C, la 6ª generación IGBT muestra un rendimiento en su ciclo de vida entre Tj(máx)=125 °C de la actual serie NX y la de la serie H (para Tj(máx)=125 °C).

Conclusiones
Con el desarrollo de la sexta generación del chip IGBT y un nuevo FWDi, la gama de módulos IGBT de la serie Mitsubishi NX dará lugar a mejoras en las pérdidas de potencia para aplicaciones de potencia. Para el usuario del módulo IGBT esto significará una mayor eficiencia del sistema. Además, la serie NX tendrá flexibilidad en sus encapsulados y mejoras en las características del dispositivo lo que incrementara el rango de aplicación. La nueva serie NX tienen un gran potencial para el desarrollo de sistemas de energía eléctrica en el futuro.

Autor: Nishiyama Taketo, Yuji Miyazaki. Trabajos para dispositivos de potencia, Mitsubishi Electric Corporation, Japón.

Bibliografía
[1] Manabu Matsumoto et al. “The Development of new IGBT Module with the Unified Package parts” PCIM CHINA 2007.
[2] Takahashi Tetsuo, et al. “CSTBTTM (III as the next generation IGBT” ISPSD 2008.
[3] Satoh Katsumi, et al. “New chip design technology for next generation power module” PCIM Europe 2008.

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