Une nouvelle génération d’IGBT en boîtier Press-Pack de 4,5 kV pour une plus grande aire de sécurité
Cet article met en évidence les avancées des composants IGBT XPT™, en mettant l’accent sur la robustesse au verrouillage et sur une meilleure gestion des avalanches dynamiques. Les nouveaux dispositifs affichent des scores RBSOA et SCSOA impressionnants respectivement de 4 x Inom et 7 x Inom, avec des compromis Vce vs. Eoff améliorés. Les tests des produits finis confirment d’excellentes performances, faisant des nouvelles puces IGBT en boîtier Press-Pack un choix judicieux pour les industries ayant besoin de solutions robustes et efficaces.
Malgré l’essor des technologies SiC et GaN, les IGBT restent essentiels pour les applications haute tension (> 3000 V) comme les MVD, la traction et la HVDC, en raison de leur fiabilité et de leur robustesse. La technologie IGBT Press-Pack, développée par IXYS-Westcode (maintenant Littelfuse), permet des conceptions très fort courant en déclinant le diamètre du boîtier et en mettant davantage de puces en parallèle, répondant ainsi aux défis du RBSOA avec une robuste conception de puce.
Illustration 1. Simulation de la densité de courant des électrons (a) et des trous (b) dans une demi-cellule à l’état passant ; (c) Architecture d’un dispositif press-pack
Conception
Dans les années 2000, IXYS-Littelfuse a lancé la gamme de produits IGBT XPT offrant une plage de tensions de 1200 à 1700 V. Par la suite, des produits de 3300 et 4500 V ont été développés et commercialisés dans différents boîtiers pour diverses applications. Récemment, Littelfuse a lancé une nouvelle génération d’IGBT haute tension (Illustration 1) offrant des performances supérieures [5].
Grâce à son format carré, la puce IGBT peut être assemblée dans un press-pack comme le format définitif de ce produit. Comme le montre l’illustration 1c, les puces sont tout d’abord assemblées dans des cassettes, puis les différentes cassettes sont assemblées dans un press-pack. Le press-pack offre différents avantages par rapport aux modules conventionnels [9, 10]:
■ Boîtier hermétique extrêmement fiable même dans les applications et les environnements difficiles
■ Polyvalence en termes de puissance et de conception de boîtier grâce à une structure de cassette commune
■ Densité de circuit maximale grâce à l’imbrication des cassettes
■ Refroidissement des puces des deux côtés
■ Résistance thermique similaire pour toutes les puces
■ Inductance parasite interne inférieure dans les connexions d’émetteur et de grille
■ Défaillance en cas de court-circuit stable sans rupture du boîtier permettant une redondance n+1
Améliorations apportées à la conception
Les améliorations de cette nouvelle génération d’IGBT HT peuvent être résumées comme suit :
■ La couche d’optimisation a été revue afin de réduire la perte de puissance à l’état passant.
■ La zone de transition entre l’aire active et la terminaison de jonction a été améliorée afin d’assurer une transition fluide, garantissant ainsi un meilleur comportement RBSOA.
■ Le profilé P+ situé sous la source a été modifié afin d’éviter le verrouillage du thyristor parasite et d’améliorer les performances RBSOA. L’illustration 1 montre les simulations TCAO du sens du courant des électrons et des trous à l’état passant.
■ La largeur totale du canal a été ajustée afin garantir une bonne tenue en puissance et une bonne aire SCSOA.
■ Une nouvelle couche compressive en nitrure de silicium a été ajoutée pour la passivation secondaire afin d’améliorer la fiabilité de la puce.
■ Le gain bipolaire de l’IGBT a été ajusté.
Évaluation des performances
La puce IGBT unique présente une tension directe basse (Vce(sat)) de 2,8 V, une intensité de saturation basse (Icsat) de 180 A et une tension de seuil (Vge(th)) de 6 V. L’illustration 2 montre les formes d’onde de commutation de l’IGBT avec Tc = 125 °C.
La forme d’onde lors du désamorçage avec le courant nominal est présentée sur l’illustration 2a, indiquant un dV/dt contrôlé. Elle témoigne également d’un courant de queue bref et d’un dépassement limité. Par conséquent, l’énergie de désamorçage (Eoff) a une valeur basse de 170 mJ.
L’illustration 2b montre que pendant l’amorçage, une valeur lcsat basse et un di/dt contrôlé de 200 A/μs se traduisent par un faible courant de dépassement et une faible énergie d’amorçage (Eon) de 125 mJ.
Les mesures RBSOA sont présentées sur l’illustration 2c, laquelle montre que la puce peut supporter environ 4 fois l’intensité nominale.
Sur la forme d’onde SCSOA de la figure 2d, la grille est déclenchée quand Vge = 20 V pendant 10 μs. Sur cette période, l’IGBT peut tolérer un courant égal à 7 fois l’intensité nominale et le dispositif résiste sans aucun signe d’oscillation sur l’aire SCSOA de type un.
Illustration 2. Formes d’onde au désamorçage (a), à l’amorçage (b), RBSOA (c) et SCSOA (d) pour une puce IGBT avec Tc = 125 °C, Rg = 47 Ω et Ls = 5,1 μH (amorçage et désamorçage) et Ls = 6 μH (RBSOA)
En complément des tests sur puce unique, un IGBT press-pack présentant 34 IGBT, 18 diodes anti-parallèles et un courant nominal de 2 kA a été fabriqué et testé. L’illustration 3 offre une synthèse des résultats de ces tests et des formes d’onde. La bonne corrélation entre les résultats des tests sur puce unique et des tests sur module multi-composants montrent un partage de courant efficace au sein du réseau de puces.
La capacité RSBOA du dispositif press-pack dépasse deux fois son intensité nominale. Le test SCSOA réalisé sur le press-pack montre une capacité de plus de 4 fois l’intensité nominale sans oscillation.
Illustration 3. Formes d’onde au désamorçage (a), à l’amorçage (b), RBSOA (c) et SCSOA (d) d’un boîtier pressé (module multi-composants) comportant 34 IGBT et 18 diodes avec Tc = 125 °C, Rg(on) = 2,7 Ω, Rg(off) = 12 Ω et Ls = 220 nH
Références
[1] F. Wakeman, D. Hemmings, W. Findlay et G. Lockwood, New high reliability bondless pressure contact IGBTs, PCIM Europe, 1999
[2] F. Wakeman et G. Lockwood, Electromechanical evaluation of a bondless pressure contact IGBT, IEE Proceedings Circuits, Devices and Systems, vol. 148, n° 2, 2001, pp. 89–93
[3] R. Alvarez, S. Bernet, L. Lindenmueller et F. Filsecker, Characterization of a new 4.5 kV Press-Pack SPT+ IGBT in VoltageSource Converters with clamp circuit, IEEE International Conference on Industrial Technology, Via del Mar, Chili, 2010, pp. 702-709
[4] R. Alvarez, F. Filsecker, M. Buschendorf et S. Bernet, Characterization of 4.5 kV Press-Pack IGBT including comparison with IGCT, IEEE Energy Conversion Congress and Exposition, Denver, Colorado, États-Unis, 2013, pp. 260-267
[5] H. Davoodi, P. Waind, P. Mirone, L. Storasta, P. Hailes et J. Pitman, High Current Density 4.5 kV Press-Pack IGBTs Push SOA Limits, PCIM Europe, 2024, pp 1008-1012
[6] M. Sweet, E.S. Narayanan et S. Steinhoff, Influence of cassette design upon breakdown performance of a 4.5 kV Press-Pack IGBT module, 8ème édition de l’IET International Conference on Power Electronics, Machines and Drives, Glasgow, Royaume-Uni, 2016, pp. 1-6
[7] F. Wakeman, G. Lockwood, M. Davies et K. Billett, Pressure contact IGBT, the ideal switch for high power applications, IEEE-IAS Conference, Phoenix, États-Unis, 1999
Déclaration de non-responsabilité : Les informations fournies dans la présente sont réputées exactes et fiables. Toutefois, les utilisateurs doivent évaluer l’adéquation de chaque produit à leur propre application et la tester de manière indépendante.
Les produits de Littelfuse ne sont pas conçus pour et ne doivent pas être utilisés dans toutes les applications. Pour lire l’intégralité de la Déclaration de non-responsabilité, rendez-vous sur le site www.littelfuse.com/disclaimer-electronics.
CE PUBLI-RÉDACTIONNEL A ÉTÉ RÉDIGÉ PAR LITTELFUSE
