Los IGBT han sido un pilar fundamental en la industria, ya que combinan las ventajas de la alta potencia con mecanismos de accionamiento sencillos. La nueva tecnología IGBT7 se diferencia claramente por las características de los dispositivos, como un voltaje directo más bajo, corrientes nominales más altas, capacidad de sobrecarga de 175 °C, control dv/dt mejorado y diodo volante (freewheeling) mejorado. Cuando se combina con un innovador encapsulado de baja inductancia, la tecnología IGBT7 ofrece facilidad de uso, mayor robustez, densidades de potencia más altas y una eficiencia mejorada, todo ello mientras reduce los costes del sistema.

Esenciales para aplicaciones de accionamiento de motores, los versátiles dispositivos IGBT7 potenciarán una amplia gama de industrias, incluyendo la aeroespacial, las energías renovables, los sistemas de almacenamiento de energía (ESS), los centros de datos y los vehículos comerciales y agrícolas.

Un transistor bipolar de puerta aislada (IGBT) es un dispositivo semiconductor de potencia con un colector, un emisor y una puerta. Se denomina transistor bipolar porque la conducción se produce debido al movimiento de electrones y huecos. Los IGBT son potentes motores para una gran variedad de aplicaciones de electrónica de potencia, como convertidores de potencia, inversores y choppers. Los IGBT se utilizan ampliamente en sistemas y equipos alimentados por la red eléctrica con un rendimiento de conmutación medio o alto, desde unos pocos kW hasta MW. Los módulos de potencia IGBT son componentes esenciales en la electrónica de potencia contemporánea. Estos módulos controlan y convierten la energía eléctrica en diversas aplicaciones, como accionamientos de motores industriales, sistemas de energía renovable, vehículos eléctricos (VE) y redes eléctricas.

IGBT7 de próxima generación

La séptima generación de módulos de potencia IGBT ya está disponible en siete encapsulados con múltiples componentes. Estos dispositivos presentan un VCE (sat) y un VF más bajos, una capacidad de sobrecarga a TJ de 175 °C, una capacidad de corriente un 50 % mayor, una mejor controlabilidad de dv/dt, una suavidad FWD mejorada y un accionamiento más sencillo en comparación con las generaciones anteriores. Estas características ofrecen una propuesta de valor diferenciada de alta densidad de potencia, durabilidad, reducción de los costes del sistema, mayor eficiencia, facilidad de uso y tiempo de comercialización más rápido.

Tecnología IGBT7 Trech

El IGBT Trench7 utiliza la tecnología Micro-Pattern Trench (MPT), que consiste en celdas de zanja (trench) paralelas separadas por mesetas submicrónicas, en comparación con las celdas de zanja cuadradas utilizadas en la generación anterior. La figura 1 muestra la sección transversal de las diferentes tecnologías, desde el punch through hasta el IGBT7. El almacenamiento de portadores cerca del electrodo emisor aumenta en las celdas de zanja del IGBT7 debido a los pasos de celda más pequeños y a las mesetas estrechas entre las puertas. Esto da como resultado una mejora de la conductividad eléctrica en la zona de deriva, lo que a su vez reduce drásticamente la tensión directa, lo que se traduce en menores pérdidas de conducción para la tecnología IGBT7.

Figura 1. Evolución de la tecnología IGBT

Figura 2. Comparación de tecnologías IGBT (IGBT3 (T3/E3) a TVJ (op): 125 °C, mientras que IGBT4 e IGBT7 a TVJ (op): 150 °C

La figura 2 muestra la comparación relativa de diferentes generaciones de IGBT, incluidas las generaciones 2, 3, 4 y la última, IGBT7. El IGBT7 tiene el voltaje en estado activo más bajo, con una reducción de entre el 15 y el 20 % en comparación con la generación anterior de IGBT4. Esta baja pérdida en estado activo se traduce en bajas pérdidas de conducción y, a su vez, aumenta la eficiencia para aplicaciones con frecuencias de conmutación bajas y medias. Además, el IGBT7 viene con un diodo antiparalelo suave que tiene mejores características de recuperación de reserva y bajo voltaje directo (Vf), lo que reduce aún más las pérdidas para proporcionar una mayor densidad de potencia.

Gama IGBT7

Los módulos de potencia IGBT7 están disponibles en encapsulados estándar de 62 mm para configuración de fase o medio puente en encapsulado D3 y para configuración monoswitch en encapsulado D4. Microchip ofrece encapsulados de baja inductancia y perfil bajo en 62 mm, como SP6C, SP6P y SP6LI, que ofrecen una altura de perfil reducida y una inductancia de encapsulado más baja, y permiten una alta densidad de potencia con una gran fiabilidad.
Se pueden obtener niveles de potencia más bajos con encapsulados más pequeños, como SP1F y SP3F, que también son encapsulados de perfil bajo disponibles en varias configuraciones. Las clasificaciones se extienden hasta 900 A con 1200 V y 1700 V.

Figura 3. Gama IGBT7

Figura 4. Topologías IGBT7

Tabla 1. Características de la gama IGBT7, ventajas de aplicación y ventajas para el usuario final

Menor tensión en estado activo VCE (sat) y menor Vf con FWD mejorada
Con una tensión en estado activo entre un 15 y un 20 % menor, se reduce significativamente la pérdida hasta aplicaciones de frecuencia de conmutación media, mientras que las pérdidas por conducción con la limitación dv/dt dada disminuyen y se reduce la pérdida por diodos antiparalelos.

Las pérdidas por conducción de los IGBT son directamente proporcionales al VCE (sat) de la tecnología IGBT. El IGBT7 tiene un VCE (sat) típico de alrededor de 1,77 V a TJ 175 °C, muy inferior al VCE (sat) del IGBT4, que es de 2,1 V a TVJ 150 °C. Esta reducción del VCE (sat) en un 15 % reduce significativamente las pérdidas por conducción.

Además, la reducción de la tensión directa del diodo antiparalelo ayuda a reducir las pérdidas del diodo, por lo que el diodo mejorado reduce la tensión directa en 100 mV en comparación con el IGBT4, lo que reduce aún más la conducción.

• Pérdida de conducción total = pérdida de conducción del IGBT + pérdida de conducción del diodo
• Pérdida de conmutación total = pérdida de conmutación del IGBT + pérdida de conmutación del diodo
• Pérdida de potencia total = pérdida de conmutación total + pérdida de potencia total
• Eficiencia = potencia de salida/potencia de entrada = potencia de entrada + pérdida de potencia total/potencia de entrada

Tabla 2. Ejemplo de comparación entre las especificaciones de IGBT4 e IGBT7 VCE (sat)

La capacidad de sobrecarga a TVJ (op) es de 175 °C.
La temperatura máxima de unión es de 175 °C, frente a los 150 °C del IGBT4, lo que es fundamental para los accionamientos de motores que realizan operaciones de sobrecarga repetitivas y de corta duración. Los módulos de potencia IGBT7 están diseñados para aplicaciones exigentes, ya que pueden soportar una temperatura de unión de 175 °C en condiciones de sobrecarga, frente a los 150 °C del IGBT4. Esta mejora de 25 °C no solo ofrece enormes ventajas en cuanto a la fiabilidad y durabilidad del inversor de potencia del accionamiento, sino que también puede traducirse en un ahorro de costes gracias a la excelente relación rendimiento-coste del IGBT7 frente a cualquier otra tecnología.

Figura 5. Comparación de la temperatura máxima de unión en funcionamiento entre el IGBT7 y las generaciones anteriores de IGBT.

Los controladores de motor con inversor se utilizan en múltiples aplicaciones, como vehículos comerciales y agrícolas (CAV), plantas industriales y ferrocarriles, donde es importante soportar sobrecargas de corta duración mientras se trabaja a la temperatura normal de funcionamiento durante no menos de 1 minuto/60 segundos.

Tabla 3. Ejemplo de duraciones de sobrecarga para motores polifásicos alimentados por inversor (según ANSI/NEMA MG 1-2016 (revisado en 2018))

Lo mismo ocurre en aplicaciones como los SAI, en las que las sobrecargas de corta duración son críticas para las especificaciones de potencia, donde las duraciones típicas de las sobrecargas pueden variar mucho, por ejemplo, 110 % durante 10 minutos + 125 % durante 120 segundos + 150 % durante 15 segundos.

Durante estos intervalos totales, el inversor y, a su vez, los switches transportan más corriente, lo que da lugar a temperaturas de unión más altas. El switch de potencia debe ser capaz de soportar de forma inherente dicha sobrecarga y el desgaste causado por la naturaleza repetitiva durante su vida útil. Las sobrecargas repetidas forman parte de las aplicaciones de motores industriales y deben tenerse en cuenta en el diseño del inversor y en la selección de los switches semiconductores de potencia adecuados. Es importante preservar la durabilidad del switch cuando se trata de estos intervalos de sobrecarga para un funcionamiento prolongado y satisfactorio.

Control mejorado de dv/dt

Alto nivel de controlabilidad (capacidad de variar el dv/dt ajustando el valor de la resistencia de la puerta (Rg)) para adaptarse a los requisitos de aislamiento del motor o a las limitaciones de EMI. Los inversores se utilizan para accionar el motor mediante señales de modulación por ancho de pulso (PWM), que no producen formas de onda de tensión de salida sinusoidales. Además de los armónicos de orden inferior, estas formas de onda también tienen superpuestos picos de tensión de amplitud única y frente pronunciado. El aislamiento entre espiras, entre fases y a tierra de los devanados del estator está sometido a las tensiones dieléctricas resultantes. Una alta frecuencia de conmutación implica tiempos de subida de impulsos más altos y pronunciados. Este mayor tiempo de subida de los impulsos de los switches da lugar a un dv/dt elevado, que se ve agravado por los largos cables utilizados en la aplicación de accionamiento del motor desde el inversor hasta el motor, lo que da lugar a tensiones máximas más altas justo en los terminales del motor. El tiempo de subida también podría dañar los cojinetes debido a las corrientes parásitas que fluyen desde el rotor al chasis del motor. Estos picos de tensión peligrosamente altos debidos al tiempo de subida pueden provocar arcos eléctricos y, finalmente, fallos en el aislamiento. Los cables de motor más largos provocan incluso sobreimpulsos de tensión más altos, con valores máximos que pueden alcanzar cinco veces la tensión de funcionamiento del sistema (> 2000 V para sistemas de 415 V). Los picos de alta tensión pueden provocar la ruptura del aislamiento, lo que da lugar a cortocircuitos entre fases o entre espiras, con la consiguiente activación de los disparos por sobrecorriente del sensor del accionamiento.

Por este motivo, los fabricantes de motores recomiendan encarecidamente no superar el dv/dt de 5 kV/µs en el terminal del inversor en el peor de los casos para motores trifásicos típicos de 380/415/440 VCA. Cuanto mayor sea la longitud de la conexión entre el motor y el inversor, mayor será la posibilidad de que se produzcan picos de dv/dt y una brusquedad de dv/dt que podrían aumentar la tensión en el terminal del motor hasta niveles peligrosos. Es importante optimizar el gradiente de tensión dv/dt según los requisitos de aislamiento del motor, al tiempo que se diseña cuidadosamente el accionamiento industrial de uso general. Para lograr esta optimización, el IGBT7 demuestra el más alto nivel de perfección en el control de la capacidad del inversor para cambiar el dv/dt mediante el ajuste de la resistencia de la puerta (Rg).

Figura 6. Tensiones del motor en el terminal del motor

Cuando se aumenta Rg, tanto el dv/dt de encendido como el de apagado disminuyen, mientras que el dv/dt de encendido disminuye significativamente con Rg en el rango óptimo. Es necesario optimizar el valor de Rg para lograr el dv/dt deseado < 5 kV/µs.

Figura 7. Optimización de dv/dt con Rg utilizando IGBT7

Microchip puede proporcionar el gráfico de Rg y dv/dt relativo bajo pedido especial para la optimización de dv/dt, lo que alivia las principales preocupaciones de diseño para los ingenieros de diseño y aplicación de accionamientos de motores industriales.

Control de puerta sencilla y sin complicaciones
La CGE (capacitancia del emisor de la puerta) y la CGC (capacitancia del colector de la puerta) están equilibradas para proporcionar al IGBT7 un control total sobre el dv/dt y optimizar la forma de onda de conmutación, y la CGE está diseñada para evitar efectos de encendido parásitos, por lo que es posible un suministro de tensión cero para el apagado (fuente de alimentación del controlador de puerta unipolar).

Figura 8. Circuito controlador IGBT7

Mayor capacidad de corriente
El chip IGBT7 tiene intrínsecamente más capacidad de corriente que la generación anterior IGBT4. Esto se traduce en una mayor potencia de salida para los mismos espacios ocupados, lo que da lugar a un salto en el tamaño del bastidor, lo que implica que se puede utilizar un bastidor más pequeño en lugar de uno más grande. Esto también aumenta la densidad de potencia global, ya que se puede comprimir más potencia en un área determinada, se evita la conexión en paralelo de varios switches, se reduce la complejidad y se mejora la fiabilidad y la durabilidad. Una mayor densidad de potencia reduce los costes de la lista de materiales (BoM) del sistema de alimentación y ofrece un tiempo de comercialización más rápido.

Figura 9. Aumento del tamaño del bastidor con un 50 % más de corriente en el mismo encapsulado.

Paquetes de menor inductancia y perfil más bajo
Los paquetes de baja inductancia parásita de Microchip reducen el sobreimpulso de tensión, lo que mejora la durabilidad y la fiabilidad. El perfil más bajo permite empaquetar más potencia en menos volumen, lo que mejora la densidad de potencia cuando se utiliza con la tecnología IGBT7.

Con un voltaje de sobreimpulsión más bajo, resulta relativamente más fácil para el usuario utilizar módulos de 1200 V para enlaces de CC de hasta 700 a 800 V en lugar de 1700 V, siempre que el diseño general del inversor sea de baja inductancia con barras colectoras intercaladas. Esto supone un ahorro considerable no solo en los módulos, sino también en la placa del controlador de puerta, lo que se traduce en un diseño de sistema de alimentación de bajo coste.

Tabla 4.

Figura 10. Encapsulado diferenciado de Microchip

Figura 11. Aplicaciones clave del IGBT7

Las características del IGBT7 y sus ventajas para el usuario final hacen que estos módulos de potencia sean versátiles para múltiples aplicaciones y megatendencias, desde aplicaciones de frecuencia de conmutación baja a media. La facilidad de uso sin complejidad en el mecanismo de control de la puerta hace que el diseño sea sencillo y elimina los recursos necesarios para diseñar nuevos controladores. Las múltiples topologías se pueden utilizar fácilmente como bloques de construcción para convertidores de múltiples aplicaciones, lo que proporciona flexibilidad de diseño y un tiempo de comercialización más rápido. Los módulos de potencia IGBT7 permiten múltiples aplicaciones, como energía solar, eólica, accionamiento de motores, sistemas de almacenamiento de energía (ESS), vehículos comerciales y agrícolas (CAV), centros de datos, ferrocarriles, movilidad eléctrica, transmisión y distribución, y aviación, gracias a su versatilidad, y proporcionan grandes ventajas a los clientes en cuanto a potencia, precisión y rendimiento.

Referencias:
https://www.fluke.com/en-us/learn/blog/power-quality/cable-length-vfd-motors
https://www.nema.org/docs/default-source/standards-document-library/mg-1-part-31-watermark.pdf?sfvrsn=649fb42f_1
Application Manual Power Semiconductors (Semikron)
TRENCHSTOP™ 1200 V IGBT7 T7 Application Note (Infineon) (AN2018-14)
Amit’s Tech Corner, Microchip Aviation and Defense News

Autor: Por Amit Gole, product marketing manager de soluciones de energía integradas de Microchip Technology