Maggiore densità di potenza nei moduli di nuova generazione

Nella distribuzione e nella fornitura dell’energia e in altre applicazioni industriali esiste l’esigenza di un alto grado di affidabilità e una lunga vita utile del componente. Oltre a ciò, ci si aspetta che i singoli componenti debbano mostrare valori di efficienza energetica ancora migliori. I nuovi moduli PrimePack in tecnologia Igbt5 sviluppati da Infineon rispondono a queste esigenze con una capacità di trasportare una corrente massima di 1800 A, corrispondente a un aumento di 400 A rispetto alla generazione precedente, mentre le dimensioni dell’alloggiamento rimangono invariate. Essi sono disponibili per le classi di tensione attorno a 1200 V e a 1700 V, completando così il portafoglio di prodotti già esistente della famiglia PrimePack.

Le tecnologie Igbt5 e Igbt4 a confronto

Come nel caso dei chip Igbt4, il nuovo chip Igbt5 è basato sulla tecnologia Trench Field Stop. Tuttavia, lo strato attivo di silicio nei componenti Igbt5 è più sottile, portando a perdite statiche e dinamiche inferiori. Questo è ottenuto attraverso l’uso di nuovi materiali e di nuove combinazioni di materiali. I chip e i diodi Igbt5 sono applicati usando un processo di sinterizzazione. La parte frontale del chip Igbt5 è dotata di uno spesso strato di rame. Nella fabbricazione dei propri nuovi moduli, Infineon ha combinato la tecnologia dei dispositivi Igbt5 con la tecnologia di assemblaggio e di connessione .XT. Al posto dei fili di saldatura in alluminio usati nella tecnologia di connessione convenzionale, quest’ultima usa fili in rame. La combinazione del rivestimento del chip con rame e dell’uso del rame per i fili di saldatura produce una maggiore affidabilità a livello di sistema.

Proprietà termiche superiori per migliori prestazioni

I vantaggi della tecnologia dei dispositivi Igbt5, in combinazione con la tecnologia di assemblaggio e di connessione .XT, fanno sì che sia possibile avere una temperatura di giunzione superiore, pari a Tj,op,max = 175 °C. Questo a sua volta consente di ottenere prestazioni a livello di sistema migliori e una vita utile più lunga allo stesso tempo. Le perdite dinamiche di commutazione costituiscono un fattore operativo importante. In questo ambito, la versione 1700-V-P5 di PrimePack ottiene una densità di corrente più accurata di circa il 30% rispetto alla versione precedente 1700-V-P4 (Tab. 1). Questo dato è basato sugli stessi valori di riferimento di PrimePack. Inoltre, occorre tenere conto di una temperatura di giunzione più alta di 25K, con perdite di commutazione inferiori per ampere (Esw/A) nei modelli di Igbt5 rispetto ai modelli Igbt4. Infineon fornisce la tecnologia Igbt5 in combinazione con la tecnologia di assemblaggio e di connessione .XT all’interno di PrimePack. Tuttavia, non è possibile combinare le due tecnologie e l’alloggiamento separatamente, come in base al principio di progettazione modulare.

Un’applicazione tipica: i convertitori standard di frequenza

I convertitori di frequenza standard rappresentano un esempio tipico dell’utilizzo degli Igbt. Un convertitore di frequenza standard consiste in un raddrizzatore che serve a fornire l’energia dalla rete a corrente alternata, un’unità di arresto, un circuito di tensione intermedio e un inverter di potenza.
L’inverter di potenza, che consiste in sei Igbt, ha la funzione di convertire la corrente diretta del circuito intermedio in una corrente alternata con una frequenza e un’ampiezza che possono essere modulate. Questo consente il controllo continuo della coppia fornita dal motore. I parametri rilevanti in questo processo sono registrati usando un amperometro e dei sistemi a encoder rotativo. Un microcontrollore elabora i dati e controlla di conseguenza i singoli gate driver. Ciò fa sì che questi ultimi generino impulsi mirati che controllano i singoli Igbt dell’inverter di potenza. Se il motore connesso al convertitore di frequenza standard opera in modalità generatore, ad esempio per via dell’alto momento di inerzia durante la frenata, allora l’energia del motore viene resa al convertitore di frequenza standard. L’energia restituita dall’azionamento non può essere passata nuovamente alla rete di alimentazione attraverso il raddrizzatore. Questo causa un aumento della differenza di potenziale ai capi del condensatore del circuito intermedio. Per fare fronte a questo problema, i convertitori di frequenza standard, in cui l’applicazione comporta il funzionamento in modalità generatore con un carico applicato, sono dotati di un’unità di arresto e di una resistenza di frenatura. Non appena il circuito di tensione intermedio (Vic) al condensatore supera il valore UVic-max di circa 565 V (UVic-max = √2 × UM,phase-diff per alimentazione a 400 V), l’Igbt nell’unità di arresto è attivato (UM,phase-diff = tensione di alimentazione fra le due fasi).
Ciò significa che la corrente scorre attraverso la resistenza di frenatura e che l’energia del circuito intermedio può essere dissipata stabilmente. Per motivi di assemblaggio, la resistenza di frenatura è generalmente attivata al di fuori del convertitore di frequenza standard. Se è richiesta una sorgente di tensione a inverter, ad esempio come avviene in applicazioni di fornitura di energia, allora deve essere installato un convertitore o un motore inverter di potenza al lato dell’alimentazione, dello stesso tipo di quello al lato del motore (cioè un convertitore di potenza o un inverter di potenza in rete). In questo modo l’inverter di potenza in rete sostituisce il raddrizzatore. Dato che questa topografia di commutazione comporta la capacità di recupero dell’energia, è chiaro che non è richiesta alcuna unità di arresto per il funzionamento standard. Per assicurare che la corrente di ripple che si produce nel circuito intermedio non ponga un carico non necessario sulla rete principale, viene installato a monte del raddrizzatore un dispositivo di blocco per ogni fase.

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