DOI: https://doi.org/10.15802/etr.v0i11.83704

About a possibility of reducing losses of energy at switching off of high-voltage IGBT devices and its circuitry energy efficiency

Н. В. Панасенко, Д. Ю. Шаповалов, А. А. Краснов

Abstract


Article is devoted researching of a problem of switching losses in IGBT modules. It is shown that the main obstacles in a way of further increasing in frequency of switchings of IGBT are the considerable size of "tail current" and dynamic losses of inclusion and switching off. The possibility of decrease in size of "tail current" and dynamic losses of switching off due to profiling of structure of the semiconductor device by proton radiation is proved. Proton radiation of IGBT allows to create big concentration of holes near a collector, leaving other structure of a crystal without changes. At the same time losses of switching off decrease twice. Further decrease in dynamic losses becomes possible thanks to introduction to the power scheme of a four-quadrant IGBT key of the switching (snubber) transistor. The presented structure allows to unload the main power transistors and to reduce thereby dynamic losses of switching off. The preliminary estimate shows that thermal load of such module decreases by 25% in comparison with standard IGBT. Such devices can be used on the diesel- and electric trains of new generation.


Keywords


IGBT device; switching off; schematic; energy efficiency

References


Laska B.. Razvitie tyagovyh preobrazovateley na tranzistorah IGBT: predposylki i faktory uspeha techniki na baze IGBT [Development of traction converters on IGBT transistors: prerequisites and success factors for technology-based IGBT]. Zheleznye dorogi mira – World railways, 2003, no. 11, pp. 32-39.

Hvorost N. V. Ekspluatatsionnye kharakteristiki upravlyaemyh poluprovodnikovyh priborov tyagovyh preobrazovateley elektropodvizhnogo sostava [Operational characteristics of the managed semiconductor devices of traction converters of electric rolling]. Informatsionno-upravlyayuschie sistemy na zheleznodorozhnom transporte Information management systems for railway transport, 2003, no. 2, pp. 31-36.

Goncharov Yu. P. Peretvoriuvalna tehnIka. PIdruchnik Ch.2.[ Converter equipment]. Kharkiv. Folio Publ., 2000. 360 p.

Yoji Di et. IEGT Power Converters for the Shinkansen Traction Systems./T.IEE Japan, vol. 121-D, №3, 2001.– p 356-362.

Voronin P. A. Silovye poluprovodnikovye klyuchi: semeystva, kharakteristiki, primenenie.[Power semiconductor keys: families, characteristics, application. Prod. 2]. Moscow. Dodeka-XXI Publ., 2005. 384 p.

Catt J., Chokhawala R., Pelly B. Primenenie 600-voltnyh moduley BTIZ v korpusah ADP-F-PAK i INT-PAK.[ Application the 600-V BTIZ modules in cases ADP-F-PAK and INT-PAK]. Silovye poluprovodnikovye pribory Power semiconductor devices. Voronezh. 1995. pp. 509-544.

Bonomorskiy O., Voronin P., Kulakov V., Schepkin N. Issledovanie protsessov zapiraniya kombinirovannyh tranzistorov [Research of the processes of locking combined transistors]. Silovaya elektronika – Power electronics. 2004, no. 2, pp. 27-30.

Lorenz L., Schulze G. Moscow. Impulsnye parametry novyh bystryh IGBT. [Impulse factors of the new fast IGBT]. Silovye IGBT-moduli: materialy po primeneniiu – Power IGBT modules: materials on application. Moskow. Dodeka Publ., 1997. pp. 55-60.

Eupec. Technishe Information. Available at: http://eu.mouser.com/ProductDetail/Infineon-Technolo gies/FZ600R65KF1/?qs=Phipx4kG5Fw6K831yQiKZA%3D%3D

Bliher A. Fizika silovyh bipolyarnyh i polevyh tranzistorov [Physics of power bipolar and field transistors]. Leningrad. Energoatomizdat Publ., 1986, 248 p.

Labuntsov V. A. Obuhov S. G., Sviridov A. F. Tiristory (Tekhnicheskiy spravochnik) [Thyristor (Technical reference book)]. Moscow. Energiya Publ., 1971, 560 p.

Panasenko M. V., Panasenko N. V., Khvorost V. Yu. Energosberigaiuchi sylnostrumovi vysokovoltni kliuchi i fazni moduli na yih osnovi [Energy-saving high-current high-voltage keys and the phase modules based on them]. Elektronika i elektromekhanika – Electronics and elektromechaniks. 2007, no. 5, pp. 24-29.

Bulatov O. G., Lyschak P. S., Odyn S. V. Moschnye klyuchi na tiristorah, vyklyuchaemyh po tcepi upravleniya [Powerful keys on the thyristors which switched off on a chain of management:]. Elektrotekhnicheskaya promyshlennost – Electrical industry. 1988, issue 19, 48 p.

IGBT (Insulated gate bipolar transistor) bipolyarnyy tranzistor s izolirovannym zatvorom [The bipolar transistor with the isolated lock]. Silovye IGBT-moduli: Materialy po primeneniyu – Power IGBT modules: Materials on application. Moscow. Dodeka Publ., 1987, pp. 38-45


GOST Style Citations


 Ласка Б. Развитие тяговых преобразователей на транзисторах IGBT: предпосылки и факторы успеха техники на базе IGBT / Б. Ласка // Железные дороги мира. – №11. – 2003. – С.32-39.

Хворост Н. В. Эксплуатационные характеристики управляемых полупроводниковых приборов тяговых преобразователей электроподвижного состава / Н. В. Хворост // Информационно-управляющие системы на железнодорожном транспорте. – №2. – 2003.– С. 31-36.

Перетворювальна техніка. Підручник Ч.2. Авт. Гончаров Ю. П. та ін. За ред. В. С. Руденка.– Харків: Фоліо, 2000.– 360 с.

Yoji Di et. IEGT Power Converters for the Shinkansen Traction Systems./T.IEE Japan, vol. 121-D, №3, 2001. – P. 356-362.

Воронин П. А. Силовые полупроводниковые ключи: семейства, характеристики, применение. Изд. 2, перераб. и доп.– М.: Додэка-XXI, 2005. – 384 c.

J. Catt, R. Chokhawala, B. Pelly. Применение 600-вольтных модулей БТИЗ в корпусах ADP-F-PAK и INT-PAK.// В кн. Силовые полупроводниковые приборы. – Воронеж, 1995. – С. 509-544.

Бономорский О. Исследование процессов запирания комбинированных транзисторов / О. Бономорский, П. Воронин, В. Кулаков, Н. Щепкин // Силовая электроника. – №2. – 2004. – С. 27-30.

. Lorenz L., Schulze G. Импульсные параметры новых быстрых IGBT.// В кн. Силовые IGBT модули: материалы по применению. – М.: Додэка, 1997. – C. 55-60.

Eupec. Technishe Information [Електрон. ресурс] – Режим доступу: http://eu.mouser.com/Product Detail/Infineon-Technologies/FZ600R65KF1/?qs= Phipx4kG5Fw6K831yQiKZA%3D%3D.

. Блихер А. Физика силовых биполярных и полевых транзисторов. – Л.: Энергоатомиздат, 1986.– 248 с.

Тиристоры (Технический справочник). Пер. с англ., под ред. В. А. Лабунцова, С. Г. Обухова, А. Ф. Свиридова. – М.: Энергия, 1971.– 560 с.

Панасенко М. В. Енергозберігаючі сильнострумові високовольтні ключі і фазні модулі на їх основі / М. В. Панасенко, В. М. Панасенко, М. В. Хворост // Електротехніка і електромеханіка. – №5. – 2007. – С. 24-29.

Мощные ключи на тиристорах, выключаемых по цепи управления: Авт. О. Г. Булатов, П. С. Лыщак, С. В. Одынь .– Электротехн. пром.-ть. Сер. 05. Силовая преобразовательная техника: Обзор. Информация, 1988, вып. 19 – 48 с.

IGBT (Insulated gate bipolar transistor) биполярный транзистор с изолированным затвором./ В кн. Силовые IGBT-модули: Материалы по применению. – М.: Додэка, 1997. – C. 38-45