En los segmentos donde la electrónica de potencia ya está en uso, el mercado  demanda semiconductores mejorados para una mayor eficiencia. Esto se traduce en una carrera continua sobre los diseños de IGBT que ofrezcan una reducción en el estado conducción y en las pérdidas de conmutación. Para una mayor fiabilidad y mayor margen de seguridad para las aplicaciones de una sola fase y configuraciones de múltiples niveles el reto es ofrecer dispositivos de 650V, manteniendo el rendimiento de conmutación y las características de conducción. La respuesta de IXYS a las necesidades del mercado es el desarrollo de la nueva familia de chips IGBT 650V “XPT” que se pueden montar en encapsulados discretos, modulares y ISOPLUS®. La nueva línea de productos 650V XPT se basa en la exitosa plataforma de IXYS GenX3 utilizando la robusta topología HDMOS. Combinando este diseño probado de celda  frontal con la nueva tecnología XPT de obleas delgadas , ya en uso para la línea de productos IGBT 1200V XPT, produce una nueva generación de dispositivos potentes y competitivos.

La reciente introducción del IGBT 650V  XPT ha sido diseñada utilizando tecnología planar con métodos mejorados para reducir la resistencia parasitaria inherente. Los dispositivos resultantes son similares en el rendimiento trade-off a los modernos dispositivos trench field-stop sin los efectos negativos de los dispositivos trench, como la alta capacidad de entrada y las resultantes elevadas corrientes de puerta de encendido y apagado.
La ausencia del proceso de control de vida útil asegura un coeficiente de temperatura positivo en la tensión de conducción para facilitar la conexión en paralelo, con un diseño optimizado del emisor estos IGBT 650V XPT cumplen las demandas de rendimiento de rápida conmutación.
La Figura 1 muestra una curva de compensación  Vce(sat) - Eoff  para un IGBT 650 XPT en versiones de media y alta velocidad.

Características XPT
El IGBT XPT fue diseñado para proveer bajas pérdidas de conmutación, manteniendo una baja tensión en estado conducción. Esto se logró con la mejora de SOA y ratios de robustez en cortocircuito. Las características de salida a diferentes temperaturas se muestran en la Figura 2 para una velocidad media.

El IGBT XPT tiene una baja Vce(sat) típica 1,6V@Inom, 25ºC y 1,85V@Inom, 150ºC. El coeficiente de temperatura positivo de los IGBT XPT proporciona una retroalimentación negativa, haciendo al XPT adecuado para el montaje en paralelo de los módulos o circuitos. Además de la baja Vce(sat), el IGBT XPT también tiene una baja fuga de corriente en corte a 150ºC (<100mA@650V), donde la máxima temperatura de unión se especifica a 175ºC.

Las características de conmutación de un IGBT 650V XPT a 150°C, 100 A, de velocidad media se muestran en las Figuras 3 y 4.

Como se puede observar en la Figura 3 la forma de onda de la corriente (en azul) tiene un comportamiento de conmutación suave, reduciendo EMI y con bajos transitorios de sobretensiones. El aumento de tensión lineal y la corta cola de corriente durante el apagado, lleva a pequeñas pérdidas (Eoff = 3,6mJ@150ºC, 300 V, 100 A).

El IGBT XPT tiene una baja carga de puerta (Qg = 140nC@0/15 V), que requiere un menor consumo de energía de control de puerta, en comparación con los IGBTs trench.

XPT y SONIC - la combinación perfecta

La combinación óptima para reducir las pérdidas de encendido se logra cuando el IGBT XPT se empareja con el diodo IXYS SONIC, que también tiene una baja potencia en conducción con un comportamiento de temperatura excelente.

El diodo SONIC tiene características suaves de recuperación, que permite que el IGBT XPT pueda estar encendido a muy altas di/dt, incluso en condiciones de baja corriente y temperatura, donde por lo general puede tener lugar un chasquido del diodo.
El diodo SONIC conserva el comportamiento de conmutación suave durante el apagado a corrientes no adecuadas, reduciendo los problemas de EMI.

Los diodos SONIC combinan una baja corriente de recuperación inversa junto con un corto tiempo de recuperación en inversa, como se muestra en la Figura 4, para minimizar la energía de encendido del IGBT XPT (Eon IGBT=1,2mJ@150ºC, 300V, 100A@1600A/ms ). La Vf del diodo Sonic es menos sensible a la temperatura, lo que da como resultado una mejor aptitud para el funcionamiento en paralelo de los diodos y minimizar las pérdidas de conmutación.

Características de robustez de XPT

El comportamiento de los IGBT bajo condiciones de cortocircuito es un tema muy importante en relación a las aplicaciones de control de motores y el IGBT XPT de IXYS  ha mostrado un rendimiento extremadamente resistente durante la prueba de cortocircuito. El diseño de chips ha sido optimizado para proporcionar una corriente de cortocircuito aproximada de 4 veces la corriente nominal, para garantizar un robusto comportamiento de cortocircuito.
La Figura 5 muestra el IGBT XPT  50A, 650V, de velocidad media, durante un  cortocircuito con un voltaje de puerta de +/-15V a 150ºC para 10ms a 400V de tensión del bus. 

La caracterización de la tecnología IGBT XPT mostró una extrema robustez durante el cortocircuito del dispositivo con elevadas tensiones y temperaturas para  10ms, sin perjuicio de las características del IGBT. El IGBT XPT de IXYS tiene un RBSOA a 650V hasta dos veces la corriente nominal a una temperatura de unión de 150ºC.

Mapa de Ruta del XPT
Se planifica el IGBT XPT 650V con corrientes nominales de 10, 15, 20, 30, 50, 75, 100 y 200A como tipo de velocidad media para aplicaciones de control de motores y como la versión rápida para aplicaciones de conmutación rápida como inversores solares y máquinas de soldar. Los productos con chip  50 y 100 A se lanzan primero y ya están disponibles como muestras. (También se ofrece una combinación con SiC para aplicaciones especiales y demandas de los clientes).

Opciones de encapsulado, nuevo Isoplus-SMPD™

Estos chips IGBT XPT™  están disponibles en encapsulados  estándar de módulo discreto y el nuevo Isoplus-SMPD™ (dispositivo de potencia para montaje superficial). El objetivo era desarrollar un encapsulado pequeño con una gran flexibilidad para formar diferentes circuitos basados en la tecnología IXYS ISOPLUS™. Los requisitos en la aplicación y los detalles del diseño se discutieron y se analizaron en conjunto con el equipo de desarrollo de SEW Eurodrive GmbH & Co.KG para llegar a un producto que se adapta para un uso más efectivo.

La base de la familia ISOPLUS™ es el uso de un sustrato DCB como base, proporcionando aislamiento a la parte trasera. Esto reduce el esfuerzo de montaje, ya que no necesita de capa de aislamiento separada. La técnica de moldeo por transferencia forma un cuerpo  de dispositivo robusto y permite el uso de un DCB delgado de 0,38 mm  reduciendo la resistencia térmica aún más.

En los componentes estándar  discretos, los dados están soldados directamente en una base de cobre con diferentes coeficientes de expansión térmica especialmente entre la base de cobre y el chip. Grandes variaciones de temperatura ya sean causadas por estrés de temperatura o de potencia, introducen fallos como grietas en los chips.

Este estrés se reduce notablemente  por los beneficios del encapsulado Isoplus-SMPD™, desde un mejor emparejamiento entre el chip de silicio y el DCB, donde está montado el chip. Asimismo, la baja impedancia térmica de los DCB conduce a un bajo aumento de la temperatura bajo variaciones de carga soportando estrés  a baja temperatura lo que caracteriza a un dispositivo muy fiable. El uso de un DCB también permite la implementación de diferentes configuraciones de circuito de baja inductancia dentro del encapsulado. Las configuraciones estándar como phase-legs,  circuitos chopper, así como puentes rectificadores con una y tres fases de entrada, ya están disponibles, entre otros, usando IGBTs  1200V XPT (figura 6). Otros se desarrollarán, dependiendo de las necesidades de los clientes. Sobre la base de tales subfunciones, es posible la formación de circuitos de potencia más complejos en función de las necesidades de la aplicación. Y, por supuesto, estos dispositivos pueden conectarse en paralelo para corrientes más altas. Para  el IGBT  XPT de  650V, son factibles  en Isoplus-SMPD™, una configuración phase-leg de75A y una copack simple de 200A.

El nuevo encapsulado es pequeño y de peso ligero, con dos filas de pines, se asemeja a un CI, con menor contenido de cobre y mejor distancia de fuga.  Permite el montaje en  la placa en un equipo estándar pick & place de SMD, junto con otros componentes SMD estándar. Los dispositivos Isoplus-SMPD™ están disponibles en Tape & Reel o Blister Tray alternativamente.

La placa completa, incluyendo los componentes de potencia puede funcionar a través de un proceso estándar de soldadura SMD. Como siempre, también para estos dispositivos, se debe aplicar  una capa de material interfaz térmica a la parte trasera de los dispositivos de potencia (o a la superficie del disipador de calor de forma alternativa). A continuación, los dispositivos se pueden montar junto con la PCB a un disipador de calor.
Dividir las funciones de una solución de módulo integrado en unidades más pequeñas, también muestra una ventaja en términos de difusión de calor. Mientras que la descarga de calor en caso de una solución con módulo se concentra en un área relativamente pequeña, las fuentes de calor están separadas y por lo tanto, mucho mejor distribuidas en el disipador(es) de calor por el uso de dispositivos ISOPLUSSMPD™.

Estos dispositivos de potencia deben ser presionados hacia el disipador de calor para asegurar bajas resistencias térmicas. La presión puede ser aplicada en diferentes maneras, por ejemplo, con un clip de montaje, aplicando presión a través de la placa directamente en el dispositivo de potencia. Las mediciones han demostrado que las altas presiones  reducen la RthJH, y también muestran que ésta se mantiene casi igual si la fuerza de montaje se reduce después de un corto período de tiempo con una presión más alta (figura 7). Sin embargo, incluso con menores fuerzas de montaje la Rth mejora con el tiempo. Se tarda unos 30 minutos hasta que la pasta está muy bien distribuida y asentada,  y el exceso de pasta es expulsada.

Conclusión
Buenas características estáticas y dinámicas combinadas con robustez bajo cortocircuito y las condiciones de avalancha, junto con las características de aislamiento de 3 kV y capacidad de proceso  SMD del encapsulado ISOPLUSSMPD™ proporcionan al ingeniero un dispositivo adecuado y con más flexibilidad para diseños avanzados de potencia del sistema con un excelente rendimiento, fiabiliad y reducción de costes.

Autor: Iain Imrie, Elmar Wisotzki, Olaf Zschieschang y Andreas Laschek-Enders. IXYS.

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