Le blog de l'entreprise Transistor IGBT Infineon IKW25N120T2 1200V 25A avec diode anti-parallèle

Shenzhen Mingjiada Electronics Co., Ltd. fournit le transistor IGBT Infineon IKW25N120T2 1200V 25A avec une diode anti-parallèle. transistor IGBT 1200V 25A avec une diode anti-parallèle.

I. Modèle et positionnement du produit

L'IKW25N120T2 est un transistor IGBT 1200V/25A de la deuxième génération (T2) de la série TRENCHSTOP d'Infineon. Il utilise la configuration 'DuoPack', qui intègre la puce IGBT avec une diode à émetteur contrôlé à récupération douce et rapide dans un seul boîtier plastique PG-TO-247-3, avec le code de commande IKW25N120T2FKSA1 et le marquage sérigraphié K25T1202.

La désignation du modèle indique clairement les spécifications : 'IK' désigne un IGBT avec une diode anti-parallèle (tandis qu'une désignation commençant par 'IG' indique un IGBT à puce unique sans diode) ; 'W' représente le boîtier TO-247 ; 25 indique un courant collecteur nominal de 25 A à une température de boîtier de 100 °C ; 120 indique une tension nominale de 1200 V ; T2 fait référence à la plateforme TRENCHSTOP de 2ème génération, avec une technologie de puce dérivée de la structure de grille en tranchée à champ de blocage de la quatrième génération d'IGBT d'Infineon (IGBT4). Sa plage de fréquence de commutation officiellement recommandée est de 2 kHz à 20 kHz ; il est positionné comme un appareil à 'commutation dure basse fréquence' qui privilégie les pertes de conduction tout en tenant compte des pertes de commutation, complétant la série H3, conçue pour le fonctionnement à haute fréquence.

II. Plateforme technique et caractéristiques structurelles du

Au cœur de cet appareil se trouve une structure composite comprenant une grille en tranchée et un champ de blocage. La grille en tranchée transforme le canal du plan au vertical, améliorant la densité de cellules et la transconductance ; la couche de champ de blocage forme un tampon à l'extrémité de la région de dérive, permettant de fabriquer la puce plus mince tout en maintenant une tension de claquage de 1 200 V, réduisant ainsi simultanément la chute de tension de saturation et le courant de queue de coupure. Comparée aux IGBT à grille planaire antérieurs, cette génération offre des améliorations dans les caractéristiques statiques et dynamiques, plutôt que de simplement échanger les pertes à l'état passant contre les pertes de commutation.

La diode anti-parallèle utilise une conception à émetteur contrôlé et à haute efficacité (HE), caractérisée par une forme d'onde de récupération très douce et une charge de récupération contrôlable. Cela supprime le courant de récupération inverse de pointe de la diode au moment où l'IGBT s'allume, réduisant ainsi les pertes d'allumage et les interférences électromagnétiques (EMI). C'est aussi la valeur pratique du boîtier 'DuoPack' : l'IGBT et sa diode sont conçus et assortis par le même fabricant pour s'adapter à la même zone de puce ; les utilisateurs n'ont pas besoin de sélectionner eux-mêmes une diode à récupération rapide discrète, ce qui permet d'économiser de l'espace et des coûts tout en évitant les erreurs de désajustement.

III. Paramètres statiques clés de l'

La tension collecteur-émetteur (VCE) est de 1200 V (mesurée à VGE = 0 V et IC = 500 µA) ; la tension grille-émetteur maximale est de ±20 V ; la plage de température de jonction de fonctionnement est de -40 °C à +175 °C ; et la plage de température de stockage est de -55 °C à +150 °C.

La capacité de courant est divisée en deux niveaux : un courant collecteur continu de 50 A à une température de boîtier (TC) de 25 °C, qui tombe à 25 A à TC = 110 °C ; cela explique l'origine de la classification '25 A' ; Le courant collecteur pulsé ICPuls est de 100 A (limité par Tjmax), tandis que la zone de fonctionnement sûre (SOA) pour la coupure est également de 100 A (VCE ≤ 1 200 V, Tj ≤ 175 °C). Côté diode : le courant direct est de 40 A à TC = 25 °C et 25 A à TC = 110 °C ; le courant pulsé est de 100 A.

La chute de tension de saturation VCEsat, dans des conditions de VGE = 15 V et IC = 25 A, est typiquement de 1,7 V à 25 °C (maximum 2,2 V), typiquement 2,1 V à 150 °C, et typiquement 2,2 V à 175 °C. Ces chiffres sont plutôt bas pour la classe 1200 V/25 A, reflétant directement le point de vente 'faible VCEsat' de la plateforme T2. Plus important encore, VCEsat présente un coefficient de température positif ; la chute de tension augmente plutôt que de diminuer à haute température. Lorsque plusieurs appareils sont connectés en parallèle, le courant est naturellement équilibré, empêchant l'emballement thermique causé par des appareils individuels qui 's'accaparent' le courant ; par conséquent, le fabricant liste explicitement le 'parallélisme facile' comme une caractéristique.

Autres paramètres statiques : la tension de seuil de grille VGEth est de 5,2 V / 5,8 V / 6,4 V (minimum / typique / maximum), et la transconductance gfs est typiquement de 13,5 S (VCE = 20 V, IC = 25 A). Cette large distribution des tensions de seuil signifie que l'appareil n'est pas directement compatible avec les pilotes logiques (tels que 3,3 V ou 5 V) ; un pilote IGBT dédié avec une tension d'allumage de +15 V doit être utilisé. Le courant de fuite à tension de grille nulle ICES est d'environ 0,4 mA à 25 °C et 1 200 V, environ 4 mA à 150 °C, et peut atteindre 20 mA à 175 °C ; les pertes de blocage à haute température doivent être prises en compte lors de la veille à haute tension ou dans des environnements à haute température et ne peuvent pas être estimées à l'aide des valeurs pour les températures normales.

La chute de tension directe (VF) de la diode est typiquement de 1,65 V à 25 °C et de 1,7 V à 150 °C lorsque IF = 25 A, avec un maximum de 2,2 V.

IV. Paramètres dynamiques et pertes de commutation de l'

Capacité d'entrée Ciss est de 1600 pF, capacité de sortie Coss est de 155 pF, et capacité de transfert inverse Crss est de 90 pF (VCE = 25 V, VGE = 0 V, 1 MHz) ; charge de grille QGate est de 120 nC (VCC = 960 V, IC = 25 A, VGE = 15 V). Cet ensemble de données détermine la puissance d'attaque : estimée à l'aide de la formule Qg × ΔVGE × fsw, la puissance de commande de grille à 10 kHz est d'environ 0,12 µC × 23 V × 10 k, ≈ 28 mW. La charge sur le pilote lui-même est très légère ; le principal défi réside dans les déclenchements intempestifs causés par le dv/dt de la capacité de Miller, plutôt que par une puissance d'attaque insuffisante.

Dans des conditions de test avec une charge inductive, VCC = 600 V, IC = 25 A, VGE = 0/15 V, et RG = 16,4 Ω, les caractéristiques de commutation à 25 °C sont les suivantes : délai d'allumage td (on) 27 ns, temps de montée tr 20 ns, délai d'extinction td (off) 265 ns, temps de descente tf 95 ns, énergie d'allumage Eon 1,55 mJ, énergie d'extinction Eoff 1,35 mJ, et énergie de commutation totale Ets 2,9 mJ ; à 175 °C, td (on) est de 25 ns, tr est de 24 ns, td (off) est de 340 ns, tf est de 164 ns, Eon 2,25 mJ, Eoff 2,05 mJ, Ets 4,3 mJ.

L'aspect le plus notable de cet ensemble de données est l'effet de la température : alors que les paramètres d'allumage restent pratiquement inchangés, les paramètres d'extinction se détériorent considérablement, tf passant de 95 ns à 164 ns et Eoff augmentant d'environ 52 %. Ceci est dû à l'augmentation du courant de queue à haute température, caractéristique commune de tous les IGBT. Par conséquent, les calculs de conception thermique ne doivent pas être basés sur la valeur Eoff à 25 °C ; une marge de sécurité doit être appliquée en utilisant les valeurs pour 125 °C ou 175 °C, sinon l'augmentation réelle de la température dépassera les attentes. De plus, la fiche technique spécifie que Eon inclut déjà la perte de récupération inverse de la diode ; lors de l'utilisation d'Ets pour l'estimation au niveau du système, n'ajoutez pas la perte Qrr séparément pour éviter le double comptage.

Sur la base d'un Ets de 4,3 mJ à 175 °C, les pertes de commutation sont d'environ 43 W à 10 kHz et d'environ 86 W à 20 kHz ; cela explique pourquoi le fabricant a fixé la limite supérieure à 20 kHz - à des fréquences plus élevées, les pertes de commutation éroderaient rapidement les gains d'efficacité, qui tomberaient alors dans le domaine des appareils H3 ou IGBT7.

V. Détails des diodes anti-parallèles de l' Le temps de récupération inverse de la diode (trr) dans des conditions de VR = 600 V, IF = 25 A, et diF/dt ≈ 1050 A/µs est de 195 ns à 25 °C et 290 ns à 175 °C ; la charge de récupération inverse (Qrr) est de 2,05 µC à 25 °C et 3,65 µC à 175 °C ; le courant de récupération inverse de pointe (Irrm) est de 20 A à 25 °C et 24 A à 175 °C ; la pente de la décroissance du courant de récupération (dirr/dt) est de 475 A/µs à 25 °C et 330 A/µs à 175 °C.

La nature 'douce' de cet ensemble de données se reflète dans le dirr/dt relativement faible, qui ralentit encore à haute température ; le processus de récupération manque d'une chute de courant abrupte, et n'induit donc pas de pics de tension importants à travers l'inductance parasite du bus, résultant en de bonnes performances EMI. Le compromis est un Qrr relativement élevé (3,65 µC à 175 °C) ; dans un bras de pont à commutation dure de 20 kHz, les pertes de récupération de la diode représenteront une proportion significative des pertes totales. Le compromis d'ingénierie est le suivant : si l'application privilégie le faible bruit, les faibles pics de tension et la fiabilité globale du système, cette combinaison à récupération douce est bien adaptée ; si l'objectif est d'atteindre l'efficacité la plus élevée possible à haute fréquence, alors des diodes avec des temps de récupération plus rapides, telles que celles compatibles avec les H3 ou IGBT7, devraient être utilisées à la place.

VI.

IKW25N120T2Le temps de tenue au court-circuit (tSC) est de 10 µs, dans des conditions de test de VGE = 15 V, VCC ≤ 600 V, et une température de jonction initiale de 175 °C ; il est spécifié que le nombre de cycles de court-circuit doit être inférieur à 1 000, avec un intervalle de plus de 1 s entre chaque événement de court-circuit. Concernant le courant de court-circuit, dans des conditions de VGE = 15 V, VCC = 600 V et tSC ≤ 10 µs, le courant de court-circuit typique est de 150 A à une température de jonction initiale de 25 °C et 115 A à une température de jonction initiale de 175 °C, ce qui représente environ 4,6 à 6 fois le courant nominal.

La fenêtre de 10 µs impose des exigences claires sur la conception de la protection : le temps de masquage pour la détection de désaturation doit être inférieur à 10 µs, et la pente d'arrêt progressif doit être suffisamment douce pour éviter que le di/dt au moment de l'arrêt n'induisent une surtension à travers l'inductance parasite et ne provoquent une rupture. Un court-circuit d'une durée supérieure à 10 µs entraînera inévitablement une défaillance ; par conséquent, il ne s'agit pas d'une 'protection optionnelle' mais d'une exigence obligatoire. Il convient également de noter qu'à une température de jonction initiale de 175 °C, le courant de court-circuit diminue et la fenêtre devient plus étroite ; par conséquent, une marge doit être prévue pour le seuil de protection dans des conditions de fonctionnement à haute température et à forte charge.

VII. Conception thermique et estimation de la dissipation de puissance pour l'

IKW25N120T2

Un calcul approximatif basé sur des conditions de fonctionnement typiques de 25 A, 150 °C et 10 kHz : la perte de conduction est d'environ 25 A × 2,1 V ≈ 52,5 W, et la perte de commutation est d'environ 2,9 à 4,3 mJ × 10 kHz ≈ 29 à 43 W ; la somme de celles-ci est d'environ 80 à 95 W. En supposant un Rthjc de 0,43 K/W, la différence de température entre la jonction et le boîtier seule est de 35 à 41 K ; si la température du boîtier est contrôlée à 80 °C, la température de jonction est déjà proche de 120 à 125 °C, laissant une certaine marge avant la limite supérieure de 175 °C, mais cette marge se réduira rapidement à 20 kHz. Cela indique que l'appareil convient aux applications impliquant des 'fréquences moyennes, des courants élevés et un dissipateur thermique bien conçu', plutôt que de forcer un petit dissipateur thermique à gérer des fréquences élevées.

La résistance thermique de la diode est presque le double de celle de l'IGBT (0,81 K/W) ; dans les circuits en pont où le cycle de service de roue libre est élevé ou le facteur de puissance est faible (c'est-à-dire une composante de puissance réactive élevée), la température de jonction de la diode peut atteindre sa limite en premier. Lors de la sélection d'un dissipateur thermique et du calcul de la température de jonction, la diode doit être calculée séparément ; il ne faut pas se fier uniquement à la courbe de résistance thermique de l'IGBT.

VIII. Considérations de conception clés pour le pilote et la configuration parallèle de l'

IKW25N120T2La résistance de grille interne RGint du boîtier TO-247 est de 0, ce qui signifie que toute la résistance de grille est fournie extérieurement, offrant une flexibilité de conception considérable. Cependant, cela implique également qu'il n'y a pas d'amortissement interne ; même des traces de circuit de grille légèrement plus longues peuvent facilement entraîner des oscillations. Par conséquent, la disposition doit positionner le circuit de commande aussi près que possible de l'appareil, utiliser une masse à point unique et empêcher le couplage entre le circuit de puissance et le circuit de grille. L'inductance de grille interne (LE) est d'environ 13 nH (mesurée à 5 mm du boîtier). Sous les effets de l'inductance de grille commune, cette valeur limitera la vitesse d'extinction et augmentera les pics de tension ; c'est un domaine où des connexions Kelvin ou des barres omnibus compactes doivent être utilisées lors de la disposition pour supprimer de tels effets.

Concernant le fonctionnement en parallèle, le coefficient de température positif de VCEsat facilite naturellement le partage de courant statique, ce qui est officiellement appelé 'parallélisme facile'. Cependant, deux points nécessitent une attention lors du parallélisme : premièrement, la dispersion de VGEth de 5,2 à 6,4 V entraînera de légères variations dans le timing d'allumage ; le partage de courant dynamique doit être équilibré à l'aide de résistances de grille indépendantes pour chaque appareil ; deuxièmement, après le parallélisme, le Qg et le Ciss totaux augmentent exponentiellement, de sorte que le courant de pointe du pilote doit être amplifié en conséquence. Il n'est pas recommandé de partager une seule résistance de grille entre plusieurs appareils.

IX. Scénarios d'application typiques pour l'

IKW25N120T2

Compte tenu de ses spécifications de 1200 V, 25 A et 2 à 20 kHz, cet appareil est le plus souvent utilisé dans : les étages onduleur et PFC des alimentations sans interruption (ASI) ; les convertisseurs de fréquence et les convertisseurs de fréquence à usage général ; les topologies en demi-pont ou à extrémité unique de moyenne à basse puissance dans les postes à souder à l'arc et le chauffage par induction ; les étages connectés au réseau ou hors réseau de faible puissance dans les systèmes photovoltaïques et de stockage d'énergie ; les demi-ponts à commutation dure dans les chargeurs et les alimentations industrielles ; et la plage de puissance autour de 1 kW dans les variateurs de moteurs triphasés.

Résumé : L'

IKW25N120T2

est un IGBT à commutation dure 1200V/25A avec une application clairement définie et une excellente cohérence des paramètres. Sa valeur ne réside pas dans des performances extrêmes, mais dans sa capacité à assurer la stabilité, la facilité de conception et le contrôle des coûts sur la plus large plage de puissance industrielle - de 2 à 20 kHz - grâce à sa faible chute de tension de saturation, ses diodes assorties très 'douces', sa parallélisation à coefficient de température positif (PTC) et sa capacité de tenue au court-circuit de 10 µs. Ce n'est qu'en comprenant ses caractéristiques de température, sa distribution de résistance thermique et son état de cycle de vie que cet appareil peut être utilisé à son plein potentiel.