Paralel Bağlı IGBT’lerin Mekanik Yerleşimi ve Parametre Dağılımının Anahtarlama Davranışına Etkisi

👤Semikron
1. Giriş Yüksek invertör gücü ve akımları elde etmek için güç yarı iletkenlerinin paralel çalışması gereklidir. Anahtarlama davranışı için kullanılan malzemeler; yonga düzeyinde, içerisinde birden fazla yonga bulunan tek bir anahtar gibi davranan bir modül (bkz. Şekil 1) veya modül düzeyinde, birden fazla paralel modül bir invertör ayağı olacak şekilde kullanılmıştır. Güvenilir ve ekonomik çalışacak bir tasarım hedefi için, bütün paralel ünitelerde benzer jonksiyon sıcaklığı alınmalıdır. Aynı güç dağılımı hedefine ulaşmak için paralel malzemeler arasında iyi bir akım paylaşımı gereklidir. Bu konu ile ilgili belirsizlikler birçok soru oluşturur: Paralel çalışma için değer azaltması gerekli mi ve bu tür özel malzemeler ve uygulamalar için ne kadar olmalı? Toplam kayıpların dağılımını etkileyen faktörler; • Statik parametrelerin değişkenliği nedeni ile oluşan akım paylaşımındaki farklılıklar (örneğin yarıiletkenlerin iletim gerilimi düşümü, terminallerin ve bağlantıların uzunluk farklılıkları); • Isı akışı içinde, kendisinin neden olduğu farklı güç dağılımı veya soğutucu üzerinde farklı konumlanmasının neden olduğu yarıiletken parametresini etkileyen farklı sıcaklıkların etkisi (sıcaklık katsayıları); • Yarıiletken parametresi ve mekanik yapıdaki farklılıkları nedeniyle oluşan anahtarlama davranışındaki farklılıklar. İlk konu [1] yazısında incelenmiştir. O yazıda, eğer üst ve alt limit (USL ve LSL) özellikli 6 adet yonga paralel olarak kullanılırsa, teorik olarak değer azaltmasının (de-rating) %50 olarak alınmasının gerekli olacağı belirtilmişti. Daha fazla adette paralel yonga kullanımında daha kötü olmaktadır. Ancak istatistiksel yaklaşım ve 1ppm kabul edilebilir bir olasılık ile, paralel kullanılan 3 veya 4 adet yonga için maksimum değer kaybı %10’a ulaşmakta ve daha yüksek adette gereken değer azaltması tekrar azalmaktadır. İkinci konu, özellikle büyük sistemler içindir. Burada bütün elemanlar için eşit soğutma koşulları sağlamak zordur ve bulunacak çözüm çok kritiktir. İki diyodun paralel bağlantısının sıcaklık etkisini anlatan grafiksel bir örneği Interactive Power Electronic Seminar [2] de bulunmaktadır. Aşağıdaki sonuçlar üçüncü konu ile ilgilidir (anahtarlama davranışlarındaki farklılıklar). 2. Anahtarlama davranışı üzerindeki etkiler IGBT ve ters diyodun paralel çalışmadaki bireysel anahtarlama davranışı, yarıiletken parametreleri ve bireysel yonga veya malzemelerin devre empedansı ile belirlenir. Yarıiletken parametresinin değişimi ile ilgili araştırmalar göstermiştir ki, eşik gerilimi VGE(th) ve iletkenliğinin (gfs) bir fonksiyonu olarak tarif edilebilen transfer karakteristiği en hassas değerdir. Paralel IGBT’lerin anahtarlanması esnasında, iki değerin farklılıkları akım dağılımı üzerinde benzer bir etkiye sahiptir. Her iki durumda da, anahtarlama esnasında VGE(pl) Kapı-Emetör gerilim platosunun transfer karakteristiğindeki akım farkı akımda bir farklılığa neden olur (bkz Şekil 2). Yarıiletken kapasitans farklılığının/değişkenliğinin, anahtarlama davranışı üzerinde herhangi bir etkisi yoktur. Sadece Miller-Kapasitans (Crss) için bir etkisi gözlenebilir. Yapı elemanlarının anahtarlama davranışı üzerindeki etkisi, ağırlıklı olarak güç yarı iletken modülü içindeki ve dışındaki parazitik endüktanslardır. 2.1. Yarıiletken parametreleri 2.1.1. Transfer karakteristiği IGBT’nin eşik gerilimi teorik olarak geniş bir aralık içinde değişmektedir; örneğin SPT için 4,5V ve 6,5V arasında 2V [3] veya TrenchStop-IGBT için 5V ve 6,5V arasında 1,5V [4]’dur. Tek yongalı bir uygulamada, üst ve alt limitteki bir IGBT’yi anahtarlamak problem yaratmaz. Sonuçta, farklı anahtarlama süreleri ve farklı kapı-emetör geriliminin plato seviyesi olur, ancak anahtarlama kayıpları aynı kalacaktır. Tek bir kapı sürücüsü (IGBT sürücüsü) ile anahtarlanan paralel bağlı aynı iki IGBT, aynı VGE(pl) (Miller platosu) kapı-plato seviyesine sahiptir ve transfer karakteristiğine göre (Şekil 2), anahtarlama esnasında son derece farklı akımlar ve sonuçta farklı kayıplar gösterir. Çünkü pratikte sınırlarda olan hiçbir örnek mevcut değildir; bu araştırma ancak devre simülasyonu ile yapılabilir. Şekil 3’te, her iki malzemenin de aynı geçiş iletkenliğine (transconductance) sahip olduğu varsayılan VGE(th)1V’luk fark için kapama (turn-on) ve açma (turn-off) davranışı gösterilmektedir. IGBT’ler 100A’lik anma akımında anahtarlanmaktadır. Eşik gerilimi düşük olan malzeme, toplam çıkış akımının büyük kısmını üzerine alarak birinci olarak anahtarlanır (turn-on) ve yaklaşık %15 civarında daha fazla anahtarlama kayıpları üretir. Açmada (turn-off) eşik gerilimi düşük olan malzeme, daha sonra anahtarlanır ve yine toplam çıkış akımının büyük bir kısmını üzerine alır. Eşit akım dağılımı ile karşılaştırıldığında, yaklaşık %30 daha yüksek açma (turn-off) kayıpları oluşur. Şekil 4’te eşik voltajının (threshold voltage) 4,5V ile 6,5V aralığındaki bütün olası değerleri için anahtarlama kayıpları farkı gösterilmektedir. Alt limitteki (LSL) bir IGBT’nin anahtarlama kayıpları, üst sınırından (USL) bir IGBT’ye göre 3 kattır. Anahtarlama ve iletim kayıpları benzer invertör uygulamalarda, iki özdeş malzemenin jonksiyon sıcaklığını aynı seviyede korumak için çıkış akımında yaklaşık %20´lik bir azaltma (degrade) gerekli olacaktır. 2´den fazla yongalı çalışma çok kritik olacağından daha fazla akım azaltması gerekli olacaktır. Pratik bir yaklaşım için, bu tür malzemelerin istatistiksel olasılığı dikkate alınmalıdır. Pratikte, iki zıt sınırdan birer malzemenin bir arada bulunma olasılığı neredeyse sıfırdır. 800 adet yonganın tipik dağılımı Şekil 5 ve Şekil 6´da verilmiştir. Benzer rakamlar, 2005 yılındaki 100.000 adet yonganın bütün üretimi için de bulunabilir. İstatistiksel değerlendirme bakımından, 100mV’den daha az “x beklenen değeri”nde (expectancy value) herhangi bir küçük kayma dikkate alınmalıdır. Gösterilen dağılımın varyansı 43Mv’dur ve iki nokta arasındaki en büyük fark 300mV’dır. Tüm yıl üretimi içinde DVGE(th)=400mV değerli 2 adet yongayı bulunma olasılığı 1ppm daha düşüktür. Güvenilir bir seri üretim için bu olasılığı pratikte kabul edilebilir bir değer olarak alırsak, paralel çalışmada anahtarlama kayıplarının farkı önemli ölçüde azalır. Yüksek adette "n" adet paralel yonga için düşük VGE(th)’lı 1 adet IGBT ve yüksek VGE(th)’lı n-1 IGBT’nin paralel bağlı olması en kötü durumdur. Bu kombinasyonu bulmak için 1ppm olasılık sabit tutulursa, VGE(th)’deki fark daha da azalır. Bunun nedeni, belirlenen limitlerden "n" adet yongayı bulma olasılığı (n sayısı arttıkça) hızla azaldığındandır. Mevcut parametre dağılıma göre, 1ppm olasılıklı farklı VGE(th) sınırları için çoklu yonga uygulaması için belirlenebilir: • DVGE(th) (2 yonga) = 400mV • DVGE(th) (4 yonga) = 300mV • DVGE(th) (6 yonga) = 200mV Bu yeni sınırlar ile yapılan simülasyon göstermektedir ki; tek bir malzemedeki anahtarlama kayıplarının maksimum değeri, tipik olarak belirtilenden %10 daha fazla olan 2 ila 3 yonga ile ulaşılmaktadır (Şekil 7). 2 malzeme ile yapılan ölçüm ve 200mV’luk VGE(pl) farkı Şekil 8´de gösterilmiştir. Anahtarlama sırasında paralel çalışmayı stabilize etmek için her malzemenin kendi 4.3ž’luk kapı ve 0.5ž’luk emetör direnci vardır. Düşük VGE(pl)’li malzemenin yaklaşık olarak %10 daha yüksek Eon değeri vardır; bu da yukarıda yapılan testlerin sonuçlarına karşılık gelmektedir.2.1.2. Kapasitans Bu parametrenin varyasyonu hakkındaki bilgi, hiçbir bilgi dokümanında ve üretim testi veri tabanında yoktur. Bu bilgiler en kötü durum analizi için gereklidir. Seçilmiş olan 400A IGBT modüllerinde yapılan giriş kapasitansı Cies ölçümlerinde sadece +/- %5’lik bir varyasyon görülmektedir (bkz. Şekil 9). Paralel bağlantıda, CCE kollektör-emetör kapasitansının ve CGE (=Cies-CRS) kapı-emetör kapasitansının Esw üzerine neredeyse hiçbir etkisi olmadığı gözlenmiştir. Bunu kanıtlamak için bir modülün CGE’si doğrudan kapı ve emetör arasına ek bir kondansatör bağlanarak artmıştır (CGE(ext) = 4.7nF,ortalama değerin yaklaşık %20’si). Bu durumda bile, her iki malzemenin kollektör gerilimi ve akımı neredeyse aynı kalmıştır. Sadece Miller kapasitansının (CCG = Crss) anahtarlama kayıpları üzerinde bir etkisi vardır. Daha yüksek kapasitans değerine sahip olan IGBT’nin Eon değerinde bir artış gözlenir, ancak bu kayıp kısmen Eoff’un azaltılması ile telafi edilir. 2.2. Mekanik yapı Mekanik konstrüksiyon, modüllerin farklı anahtarlama davranışları üzerinde özellikle parazitik endüktans bakımından etki oluşturur. Yonga düzeyinde, modülün içindeki IGBT ve yardımcı emetör arasındaki endüktans, kapı devresinin pozitif geribildirimi nedeniyle, anahtarlama davranışı üzerinde doğrudan etkisi vardır. Paralel yongalar arasındaki farklı endüktanslar farklı anahtarlama hızlarına yol açar. Salınımların riski ve yüksek di/dt ile endüklenen çevrimsel akım yanında, sert anahtarlamalı (hard switching) uygulamalardaki toplam anahtarlama kayıpları üzerindeki etkisi küçüktür. Bunun nedeni yüksek kapama (turn-on) kayıpları, daha düşük endüktanslı paralel IGBT ile karşılaştırıldığında, küçük açma (turn-off) kayıpları ile telafi edilecektir. Modül içinde endüktanslar genellikle [5][6] yayınlarında anlatılmıştır. Büyük invertör uygulamalardaki harici endüktans çok daha önemlidir. Bağlantı panolarındaki büyük boyutlar ve mekanik kısıtlamalar, paralel yarıiletkenler için asimetrik akım çevrimine neden olur. Şekil 11’de, bir faz için paralel bağlı 6 modüllü invertör tasarımı anlatılmaktadır. Tüm modüller bir sırada yan yana yerleştirilmiştir. Benzer bir deney düzeneği (Şekil 12) malzeme varyasyonu ve simetrik olmayan bir yapının etkisi arasındaki ilişkiyi araştırmak için kullanılmıştır. Testte kullanılacak malzemeler, düşük VGE(pl)’li modül 1 pozisyonunda ve en yüksek VGE(pl)’li olan da 6 pozisyonunda yer alacak şekilde seçilmiştir. 2 ila 5 arasındaki pozisyonlarda ortalama özellikli malzemeler kullanılmıştır (örneğin Şekil 14’e bakınız). İlk ölçümler simetrik orta konumdaki AC ve DC terminallerde yapıldı. Bu ölçümler parametre değişimi etkisini göstermektedir. Kapama (turn-on) esnasında endüktif yükten gelen tepe akımı yaklaşık olarak 760A +/-85A’dir (yaklaşık %11’lik bir fark). İkinci ölçümler için AC terminali 1. ve 2. modül arasındaki bir pozisyona alındı. Şimdi tepe akımları arasındaki fark yaklaşık 450A civarındadır (simetrik pozisyonluda 170A (+/-85A) ) (bkz. Şekil 16). En yüksek tepe değeri ortalama değerden %35 daha yüksektir. Önceki testten, tepe akımının %11’inin malzeme parametre değişiminden geldiğini biliyoruz ve şimdi ek olarak %24 asimetrik AC terminal pozisyondan gelmektedir. . Son ölçüm "yumuşak" kısa devredir. Buna tip 2 diye olarak adlandırılan, µH değerlerindeki bir kısa devre empedansı denir. Bu durumda, herhangi bir yerleşim ve cihaz parametre seti için sadece, AC-terminal pozisyonu, akım dağılımında baskındır. Farklı düzenlerle yapılan tüm testler gösteriyor ki; güç kaynağından (burada DC-Link kapasitör bankı) modüle ve oradan yüke eşit bir devre empedansı olması paralel modülleri arasında simetrik bir akım dağılımı için önemlidir. Bu dengesizliği tamamen önlemek genellikle mümkün değildir; ancak DC-link kondansatörden IGBT’ye ve paralel IGBT modülleri ile yük kablosunun bağlı olduğu nokta arasında AC terminali yapısı aynı uzunlukta yapılarak doğrudan 1:1 bir ilişki ile azaltılabilir. 3. Sonuç Parametre dağılımının ölçülmüş üst ve alt limitinden olan malzemeler, anahtarlama sırasında anahtarlama kayıpları ve asimetrik akım paylaşımında +/- %10 farklılık yaratabilir. Paralel n-adet-yonga veya modüllerin çalışması iyi tasarlanmış bir simetrik yapıda, malzeme ön-seçimi yapmadan pratik ilgili parametre dağılımı ile mümkündür. Geri kalan farklar, tasarımda jonksiyon sıcaklığı maksimum jonksiyon sıcaklığının 25K altında kullanılırsa tasarım payı içinde kalır. Parametre değişimi/varyasyon ile karşılaştırıldığında, simetrik olmayan (unsymmetrical) yapılar anahtarlama kayıplarını çok daha yüksek oranda etkiler. Kaynaklar [1] U. Scheuermann; “Paralleling of Chips – From the Classical ‘Worst Case’ Consideration to a Statistical Approach”; PCIM Nürnberg; 2005 [2] interactive Power Electronic Seminar; ETH Zürich; http://www.ipes.ethz.ch/ [3] Data sheet and product information for SPT IGBT http://www.abb.com/ [4] Data sheet and product information for TrenchStop IGBT http://www.infineon.com/ [5] O. Usui; H. Nakatake; T. Oho; “Analysis of the Dynamic Characteristics of a Power Semiconductor Module, Considering the Influence of Electromagnetic Coupling Between Wiring”; EPE Dresden; 2005 [6] S. Bontemps; “High Frequency and Paralleleing Modules for High Current”; Power System design Europe; 12/2004