La tecnología IGBT7 ofrece potencia, rendimiento y precisión

Autor: Amit Gole, director de marketing de productos de soluciones de potencia integradas de Microchip Technology

Los IGBT son motores potentes 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.

IGBT7 de próxima generación

La séptima generación de módulos de potencia IGBT ya está disponible en siete encapsulados en múltiples piezas. 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 mayor suavidad FWD 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.

Gama IGBT7

Los módulos de potencia IGBT7 están disponibles en encapsulados estándar de 62 mm para configuraciones phase leg o half bridge en encapsulados D3 y para configuraciones de interruptor único en encapsualdos D4. Microchip ofrece encapsulados de baja inductancia y perfil bajo de 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 gran fiabilidad. Los niveles de potencia más bajos se pueden cubrir 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.

Menor tensión en estado activo VCE (sat) y menor Vf con FWD mejorado

Con un voltaje en estado activo entre un 15 y un 20 % más bajo, se produce una reducción significativa de las pérdidas hasta aplicaciones de frecuencia de conmutación media, mientras que las pérdidas por conducción en la limitación dv/dt dada disminuyen y se produce una reducción de la pérdida del diodo antiparalelo.

Las pérdidas por conducción de los IGBT son directamente proporcionales al VCE (sat) de la tecnología IGBT. La reducción del VCE (sat) reduce significativamente las pérdidas por conducción y, a su vez, mejora la eficiencia del convertidor.

Tabla 1. Ejemplo de comparación entre las especificaciones del IGBT4 y el IGBT7 VCE (sat)

La capacidad de sobrecarga en TVJ (op) es de 175 °C

Temperatura máxima de unión de 175 °C en comparación con 150 °C (IGBT4), lo cual es clave para los accionamientos de motores que funcionan con sobrecargas 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 supone 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 elevada relación rendimiento-coste del IGBT7 frente a cualquier otra tecnología.

Figura 1. Comparación de la temperatura máxima de funcionamiento en la unión entre el IGBT7 y las generaciones anteriores de IGBT.

Controladores de motores con inversor utilizados en múltiples aplicaciones, como vehículos comerciales y agrícolas (CAV), plantas industriales y ferrocarriles, donde es importante soportar sobrecargas a corto plazo.

Lo mismo ocurre con aplicaciones como los SAI, en los que las sobrecargas a corto plazo son críticas para las especificaciones de potencia.

Mayor controlabilidad de dv/dt

Los inversores se utilizan para accionar el motor utilizando señales de modulación por ancho de pulso (PWM) que no producen formas de onda de tensión de salida sinusoidales. Este mayor tiempo de subida del pulso de los interruptores debido a la frecuencia de conmutación da como resultado 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 elevadas justo en los terminales del motor. Los cables de motor más largos incluso provocan un sobreimpulso de tensión más alto, con valores pico de hasta cinco veces la tensión de funcionamiento del sistema (> 2000 V para sistemas de 415 V). Los picos de alta tensión pueden provocar una ruptura del aislamiento, lo que da lugar a cortocircuitos entre fases o entre espiras, con las consiguientes desconexiones 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 de 380/415/440 VCA típicos.

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).

Control de puerta sencillo y sin complicaciones

La CGE (capacitancia puerta-emisor) y la CGC (capacitancia puerta-colector) están equilibradas para proporcionar al IGBT7 de   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 unipolar del controlador de puerta).

Mayor capacidad de corriente

El chip IGBT7 tiene inherentemente más capacidad de corriente que la generación anterior IGBT4. Esto se traduce en una mayor potencia de salida para las huellas dadas, lo que da como resultado un salto en el tamaño del chasis, lo que implica que se puede utilizar un tamaño de chasis más pequeño en lugar de uno más grande. Esto también aumenta la densidad de potencia general, ya que se puede comprimir más potencia en un área determinada, se evita el paralelismo del número de interruptores, 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.

Encapsulados de menor inductancia y perfil más bajo

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

Tabla 2.

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 accionamiento de la puerta hace que el diseño sea sencillo y evita la necesidad de recursos 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.