NGTB30N60L2WG ANDNGTB30N60L2WGCN/D

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ANDNGTB30N60L2WGCN/D NGTB30N60L2WG

IGBT的高速开关 &低 VCE(sat)应用

概要

此次开发的

NGTB30N60L2WG为 FS2

^*

-IGBT系列产品之一, 是同

时实现了高速SW与低VCE(sat)的IGBT。

一般认为在选定器件时

,

首先应该以

Ic

的最大额定值为基准

,

但实际 上有必要着眼于电气特性上记载的VCE(sat)值或者Icpeak值。

VCE(sat)

值是直接影响应用电气产品的工作效率的重要数值

, Icpeak

为 表示实际使用可能领域的数值, 因此, VCE(sat)值与Iｃpeak值为选 定器件时的重要参数。

＊关于FS2, 请参照Section 4的说明。

1. IGBT

的电流规格与实际性能

Ic

额定值为

IGBT

的规定规格之一。

Ic

额定值一般表示为

Tc=100C

下 的电流值。

另一方面

,

由于

IGBT

使用于各种能量变换电路

,

故损失小很重要。作 为损失大小的指标有 VCE(sat), 该值越小, 在减少损失方面越有利。

・VCE(sat)值的比较 1

Fig.1: Ic额定值为30A的NGTB30N60L2WG与他社的Ic额定值为30A品的VCE(sat)比较。

从

Fig.1

可看出

, NGTB30N60L2WG

为额定值

30A

的

IGBT

产品当中

VCE(sat)

值最低的产品。该特性对于作 为开关素子被使用的IGBT来说非常重要。IGBT的C-E间电流流通时的损失为PVsatloss＝VCE(sat)×Ic

[W]

可以认定

: VCE(sat)

值越低

,

损失越小。

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3

VCE(sat) comparison @Ic=30A

30N60L2 A B C D E F VCE(sat)[V]@Ic=30A G

IGBT's NGTB30N60L2WG is the lowest VCE(sat)

Fig.1 VCE(sat) comparison

应用资料

・VCE(sat)值的比较 2

此外, 和 Ic额定值比NGTB30N60L2WG高的他社IGBT 进行了VCE(sat)值的比较。横轴为Ic额定值, 纵轴为

Ic=30A时的VCE(sat)值 (从Specification Sheet读取) (Fig.2).

结果显示, NGTB30N60L2WG的VCE(sat)值比 Ic额定值超过40A的IGBT还低。在重视低VCE(sat)特性的电路 应用中, 显然NGTB30N60L2WG的性能比电流规格高的产品要好。

2. 在实际电路中 VCE(sat)值的差异与损失

在部分

SW PFC

电路中(Fig.3) 看一下

VCE(sat)与损失的关系。该电路使用于室内空调等的 PFC

电路。该 电路虽然为开关电路, 但由于频率为

100~120Hz

非常低, 且为三角波电流, 故开关损失的影响非常小, VCE(sat) 损失为主要的部分。

Fig.3 部分开关电路

triangle wave

Wave pattern approximation of VCE(sat) VCE (sat) = 0.6V that Ic is zero. And you read VCE (sat) in Ic=30A on the catalogue. It links those VCE (sat) by a straight line.

Ic

Icp

VCE

Fig.4 部分开关电路的波形 Fig.2 VCE(sat)@30A VS Rating Ic spec

1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 2.0

20 30 40 50 60 70 80

VCE(sat)[V]@Ic=30A

Rating Ic Spec [A]

VCE(sat)@30A VS Rating Ic spec

NGTB30N60L2WG I

J H

K

部分开关的工作损失如

Fig.4

所示, 将波形等值进行计算。很小的

VCE(sat)值差会引起 在损失上出现显著的差。

(条件: Icp=30A)

3.

开关

(

高频

)

特性与高频工作的适合型

3-1)

在

Interleave PFC

电路的

IGBT

举动与工作效率的比较

同时具备低

VCE(sat)特性与高速 SW

特性的

NGTB30N60L2WG

可适用于工作频率超过

30kHz

的

Interleave

电路。Interleave电路为

Active PFC

电路之一, 如

Fig.6

所示, 是使两个开关素子轮番开关的电路构成。

Fig.6 Active PFC circuit

3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0

1 1.2 1.4 1.6 1.8 2

VCE(sat)Loss[W]

VCE(sat) [V]

VCE(sat)Loss VS VCE(sat)

Loss[W]30N60L2 Loss[W] C Loss[W] D Partial SW circuit Icp=30A f=120Hz Ton=2mS

NGTB30N60L2WG C

D

Fig.5 VCE(sat)Loss VS VCE(sat)

＠部分开关电路

通过使电流流经

2

系统, IGBT的峰值电流, Inductor的峰值电流低减, 电流

Ripple

的低减成为可能。是积极 被电路电流大的室内空调的

PFC

电路等所采用的一种方式。

・与 Ic

额定值比

NGTB30N60L2WG

大的

IGBT

之间的特性比较

对

NGTB30N60L2WG

进行了试验。与 Ic额定值较大的他社产品

IGBT K

进行了比较。结果表示:

NGTB30N60L2WG

的工作效率优。(Table.1) 如前面所述, 这暗示了与

Ic

额定值相比, 其实是

VCE(sat)特性在

影响。但是, 更值得注意的是, 在该电路的频率约

35kHz

工作条件下, 不能忽视

Eoff

的影响。

NGTB30N60L2WG

的

tf(开关性能之一)值小(即, 开关速度快), 如 Table.1

所示, 由于

tf

为

1/2, Eoff

值也小, 故开关损失低。该特性 为

FS2

工艺为

NGTB30N60L2WG

带来的利点。

＊该工作中, Ic波形近似于三角波, 观测

Eoff

损失

・与 VCE(sat)

值

(

＠

Ic=30A)

比

NGTB30N60L2WG

小的

IGBT

的特性比较

此外, 将

NGTB30N60L2WG

与

VCE(sat)值较低的他社产品 IGBT J

进行了比较试验。结果如

Table.2

所 示。尽管

NGTB30N60L2WG

的

VCE(sat)值比 IGBT J

大, 工作效率

η

却偏高。理由是: 在频率约

35kHz

工作 中, NGTB30N60L2WG的

tf(开关性能的指标之一)快速, 如 Table.2

所示, 由于

tf

为

2/3, Eoff

值也小, 故开关损 失低, 因此工作效率高。 比如在频率高的

Full Switching PFC

工作中, 与

VCE(sat)值相比, 开关性能的贡献比

率更大。NGTB30N60L2WG在该点上有利, 可以说是同时具有优秀

VCE(sat)特性与开关特性的 IGBT。

Table.1 Test result Comparison between NGTB30N60L2WG(FS2) and IGBT K

@ Inter leave PFC circuit VAC=100V Iout=2.0A Vout = 385.3V f＝35kHz

Device VCE(sat)[V]

＠30A tf[ns] η[％] Pin[W] Pout[W] Icp[A] Eoff[μJ]

NGTB30N60L2WG 1.40 100 94.0 818 769 11 317

IGBT J 1.32 156 93.9 819 769 11 328

Device Ic rating[A] tf[ns] η[％] Pin[W] Pout｢W] Icp[A] Eoff[μJ] VCE(sat)[V]

@30A

NGTB30N60L2WG 30 100 94.0 818 769 11 317 1.4

IGBT K 75 219 92.1 835 769 11 585 1.5

Table.2 Test result Comparison between NGTB30N60L2WG(FS2 )and IGBT J

@ Inter leave PFC circuit VAC=100V Iout=2.0A Vout=385.3V f ＝ 35kHz

3-2)

在

Inverter

电路的工作效率比较

设想一般的

Inverter

电路

,

对

NGTB30N60L2WG

工作时的损失进行了比较与考察。Inverter电路的场合, 是 由工作频率引起的导通损失(即, VCE(sat)的损失)为支配性, 还是开关损失(Eon, Eoff, 此外

Diode

的

trr

损失)为支 配性 来决定。

以

Power Conditioner

的

Inverter

为例。假定

Carrier Frequency

为

15kHz, sin

波工作, Icp=28A, 1素子的

IGBT

部与

FWD

部的损失计算如下。

IGBT

部的损失为:

P

IGBT＝Psat＋Psw

Psat: IGBT

的导通损失

Psw: Eon

与

Eoff

时的损失

FWD

部的损失为:

P

FWD

=P

VF＋Ptrr

P

VF

: Diode

的导通损失

Ptrr Recovery

损失 损失总共为:

Ptotal＝Psat+Psw＋P

VF

+Ptrr.

关于

Psat, 一般可由下式表示:

Psat＝Iop×VCE(sat)×（1/8＋m/（3π）×cosθ） …(1)

关于

P

VF,

可由下式表示:

P

VF

=Iop×VF×（1/8－m/(3π）×cosθ)…(2)

m

为调变因数, 通常为

m=1. 另外 cosθ

为功率因数

0.9.

关于开关损失:

Pon＝Eon×f×1/π …(3) Pon: 开关 ON

方向的工作损失

电流为

sin

波变调, Ic值在

0[A]~Icp[A]之间变化, 平均值近似于乘以 1/π

的值。

Poff

的计算也同样。

设定

Icp(IFp)=28A, 通过 Spec. Sheet

和测定数据(*1)推定那时的

VCE(sat), VF, Eon, Eoff, E

Qrr. 关于

Ptrr, 作为 Diode

的开关损失, 利用

trr

期间的电荷

Qｒｒ, 表示为 E

Qrr

=Vr×Qrr.

此外, IF的值也同上述

Ic

一样, 在

0[A]~Icp[A]之间变化, 故平均值近似于乘以 1/π

的值。

Ptrr=E

Qrr

×f×1/π…(4)

*1: 由于开关数据根据测定环境与 Rg

而变化, 所以使用在

Vcc=400V,Rg=27Ω

下的测定数据。

AC OUT

Fig.7 Inverter circuit

数据与测定值如

Table.3

所示。

Table.3 Value of each parameters Ic=28A Ta=25C

NGTB30N60L2WG IGBT K

VCE(sat)[V] 1.35 1.48

VF[V] 1.68 1.45

Eon[μJ] 1800 1320

Eoff[μJ] 1460 2130

E

_Qrr

[μJ] 176 77

以

Table.3

的值, 计算该工作条件下的损失-利用式(1)~(4)来计算, 得到了如

Fig.8

所示的结果。

Fig.8 Loss calculation result f=15kHz

比较导通损失与

Turn-ON/Turn-OFF

时的开关损失

Eon/ Eoff, 可知在该领域 开关损失起到相当支配性的作用。

此外, 使用于

NGTB30N60L2WG

的

Diode

是 抑制

Recovery

工作时的电流的设计。 特别在电流为

20A

左右 的领域, 该电流振动的差显现出来。由于该电路振动可能成为

SET

工作时的噪音要因, 故在

Recovery

时几乎不 发生电流振动的

NGTB30N60L2WG

对于应用

SET

的设计非常有利。

0 5 10 15 20 25 30

NGTG30N60L2WG IGBT K

Power Loss Calculation

Ptrr Poff Pon PFRD Psat

Inverter circuit Vcc=400V Icp=28A PF=0.9 f=15kHz

Ploss[W]

WP.１ NGTB30N60L2WG Recovery characteristic

@IF=20A

WP.2 IGBT K

Recovery characteristic

@IF=20A

4. FS2

工艺的

NGTB30N60L2WG

的构造规格

对同时兼具高速开关性能与低

VCE(sat)性能的 FS2

工艺与以往的

NPT

工艺进行比较。

以往的

NPT(Non punch through)需要一定厚度的 wafer。理由是为了确保 N

层的

Depletion Layer

来得到 Ic

Cutoff

时

Collector-Emitter

间的耐压。

而 FS2

为第二代

Field Stop

构造的薄型工艺的

IGBT, 在 N

层与背面的

P

层间形成有相对高浓度的

N

层。 由此, 与

NPT

相比, wafer可以薄化。通过该工艺, 开关性能得到改善, 特别是

Cutoff

时得电流 特性也得以提高。虽然开关得高速化与

VCE(sat)值的低减存在 Trade-off

关系, FS2工艺改善了 该

Trade-off

关系, 同时

VCE(sat)也得到了低减 (参照 Fig.9, Fig.10).

NGTB30N60L2WG规格

FS2

的

N

层(Drift层)变薄

Fig.9 NPT IGBT structure

Fig.10 FS2 IGBT structure

IC IC PD trr(typ)

@Tc= @Tc= @Tc=

25 ℃ 100 ℃ 25 ℃ max @IC

[V] [A] [A] [W] [V] [A] [pF] [V] [A] [ns]

NGTB30N60L2WG TO-247-3L 600 100 30 130 1.4 30 4130 1.7 25 70**

VF

typ @IC

100A/μs

Type No. Package

Absolute maximum ratings

Electrical characteristics FRD 　 Electrical /Ta=25 ℃ /VGE=15V Characteristics / Ta=25 ℃

VCES

VCE(sat)

Cies

**IF=10A, VR=50V, di/dt=100A/μs

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