Подписка на новости

Опрос

Нужны ли комментарии к статьям? Комментировали бы вы?

Реклама

 

2002 №7

SkiM - специализированные силовые модули для инверторов

Загорский Андрей


SKiM - програссивное семейство силовых модулей средней мощности, основанных на технологии прижимного контакта. Безбазовая структура SKiM повышает надежность и позволяет легко менять типы керамических подложек для гибкого изменения номинала тока в пределах одного модуля. Вместе с интеллектуальным пристегивающимся драйвером SKiM является основой для компактного инвертора со встроенной самозащитой.

Растущий спрос на силовые полупроводниковые модули высокой плотности мощности, высокой надежности и приемлемой стоимости обусловлен непрерывно развивающимися промышленными устройствами типа двигателей, источников бесперебойного питания (UPS), электрических транспортных средств, и т. д. Это ведет к непрерывному прогрессу технологии корпусирования, где технология SKiiP (Semikron integrated intelligent Power) — безбазовые модули с системами прижимного контакта — совершила революцию. Главная особенность технологии SKiiP [1] — улучшение надежности модулей при применении системы прижимного контакта вместо паяного соединения с основанием. Последнее используется в традиционных модулях и является одним из ключевых факторов, ограничивающих надежность этих модулей. Прижимной контакт SKiiP имеет две функции: во-первых, он должен обеспечить тепловой контакт DBC-керамики (Direct Bonded Copper substrate) и радиатора с определенным давлением.

Это делает медную опорную плиту (базу) необязательной. DBC-керамика — это Al2O3 или AlN-керамика, покрытая методом прямого (диффузионного) сращивания медной фольгой. Во-вторых, прижимной контакт должен обеспечить электрическое соединение DBC-керамики (на которую припаиваются чипы силовых полупроводниковых приборов IGBT и FRD) к внешнему драйверу базы, использующему пружинные контакты.

Таблица. Семейство SKiM в исполнении Six-pack
Тип модуля Vces (В) Ic (A) (THS 25 °C) Ic (A) (THS 70 °C)
SKiM4 600 300, 350 220, 280
SKiM5 440 330
SKiM4 1200 175, 275, 300 135,180, 230
SKiM5 350, 450 270, 340
SKiM4 1700 130 100
SKiM5 220 170

Конструкция SKiM

SKiM (Semikron integrated Module) основана на технологии SKiiP. Как показано на рис. 1, на DBC-керамику напаяны полупроводниковые чипы (1), расположенные в рамке (2). Эта рамка выравнивает мостовой элемент (3), который передает вертикальное давление на плату подложки через свои прижимные ножки. Само давление производится при завинчивании прижимной платы (5) на радиатор с пружинящей прокладкой (4), вставленной между прижимной платой и мостовым элементом, чтобы гарантировать равномерное распределение давления.

Модуль SKiM4

Электрический интерфейс от печатной платы драйвера к подложке реализован пружинными контактами (см. также рис. 2), которые объединены в мостовом элементе, в то время как силовые клеммы представляют собой винтовые контакты, припаянные к подложке.

SKiM5 в разрезе

Наиболее важная особенность SKiM — тепловой прижимной контакт между DBC-керамикой и радиатором. Устраняя опорную плиту и таким образом сам процесс спаивания между опорной плитой и подложкой, можно избежать так называемой тепловой усталости спаянного соединения. Это ведет к более высокой надежности и термоциклоустойчивости по сравнению с традиционными модулями с опорной плитой [2]. Другое преимущество SKiM — его низкопрофильный дизайн.

Высота силовых клемм составляет всего 17,5 мм. Приподнятое положение платы драйвера позволяет пользователю подключить цепь постоянного тока либо независимо снаружи, либо от центральной шины к клеммам. Печатная плата драйвера базы может просто быть прищелкнута на модуль. Этот процесс сборки самовыравнивающийся и автоматически устанавливает электрическое соединение между драйвером базы и модулем через пружинные контакты, что обеспечивает быструю сборку в производстве и легкое обслуживание. Дополнительные установочные точки в мостовом элементе обеспечивают механическую надежность крепления драйвера для приложений со значительной вибрацией. Изолированный PTC температурный датчик объединен с платой подложки для непрерывного мониторинга температуры радиатора, чтобы защитить полупроводниковые чи-пы от перегрева.

Широкий диапазон мощности от 30 до 90 кВт может быть охвачен двумя типами корпусов в исполнении «six-pack» (с шестью транзисторами, полный инвертор, см. табл.), доступными для 600 и 1200 В. Ряд с 1700 В модулями будет скоро выпущен. При использовании SKiM в конфигурации «dualpack» (два транзистора, полумост) максимальная мощность может быть почти утроена.

Прижимной контакт SKiM

В обычной архитектуре модуля, где подложка припаяна к твердой опорной плите, должны быть решены разнообразные проблемы, чтобы получить надежный и гибкий дизайн модуля. Для больших размеров площади основания несколько керамических плат должны быть присоединены к опорной плите большой областью паяного соединения. Помимо трудности качественной пайки при большой области контакта (равномерного спая без пустот), различие в коэффициентах термического расширения (КТР) опорной плиты и подложки нижетемпературы затвердевания припоя приводит к преждевременному термическому старению системы. Это старение влияет на тепловой интерфейс между основанием модуля и поверхностью радиатора и таким образом нарушаеттребование на низкое тепловое сопротивление.

Чтобы избежать этого недостатка, опорные плиты модулей большого размера изготовлены с определенным отклонением КТР, чтобы компенсировать термическое старение, приводящее к напряжению между подложкой и опорной плитой. Так как на процесс старения влияет тепловая история устройства в течение времени наработки, а также он находится в зависимости от процессов ползучести в припое (с постоянной времени иногда сотни часов), этот метод коррекции достаточно сложный [3]. Далее, материал подложки также не может быть легко изменен, потому что изменение КТР материала изменит напряжение в паяном соединении и таким образом повлияет на геометрию, так же как и на срок службы паянного интерфейса. Наконец, модуль с несколькими керамическими платами требует взаимосвязей между платами, которые увеличивают число потенциальных причин отказа и поэтому уменьшают надежность системы.

Система прижимного контакта SKiM разработана специально для того, чтобы избежать этих проблем (рис. 2). Для системы прижимного контакта размер подложки не ограничен, так как здесь нет никакого жесткого соединения. Керамическая плата «плавает» на теплопроводящей прокладке (термопасте), соединяющей DBC-керамику с поверхностью радиатора. В качестве теплопроводящей прокладки используется HiFlow™ — матричный материал с изменяющимся фазовым состоянием.

Плотный контакт между подложкой и радиатором, требуемый для низкого теплового сопротивления, достигается с помощью мостового элемента, состоящего из многочисленных прижимных ножек, которые передают давление на подложку точно в тех местах, где необходим хороший тепловой контакт (то есть близко к силовым чипам). Мостовой элемент изготовлен из гибкого материала для компенсации внутренних перемещений (рис. 3).

SKiM5 с Trench IGBT-модулями и на AIN-подложке

Пружинящая прокладка, состоящая из сжимаемого слоя и высоконадежного пенопласта, передает давление от жесткой прижимной пластины на мостовой элемент и гарантирует равномерное распределение давления. Прижимная пластина имеет стальной каркас для механической прочности, залитый изолирующим пластмассовым материалом. Эта твердая прижимная пластина, расположенная сверху модуля, электрически соединена с радиатором прижимными винтами и поэтому экранирует возможные электромагнитные наводки от платы драйвера базы. Это также защита для платы драйвера в случае взрыва в силовом контуре, так как местоположение прижимной пластины между силовой схемой и платой драйвера предотвратит повреждение схемы управления фрагментами корпуса или электрической дугой [4].

Тепловое сопротивление и надежность

Главное преимущество системы прижимных контактов — ее гибкость относительно используемого материала керамики. Так как нет никакого жесткого соединения к любому материалу опорной плиты, могут применяться все доступные керамические материалы. Сегодня часть программы производства — керамические материалы Al2O3-DBC и AlN-DBC, но система прижимного контакта открыта для будущих разработок типа Si3N4. Подложка Al2O3 скомпонована из слоя керамики 0,5 мм с медными слоями 0,4 мм с обеих сторон. Толстый медный слой способствует оптимизации теплового сопротивления DBC, увеличивая рассеяние тепла, а также увеличивает номинальный ток силовой схемы. AlN-подложка состоит из керамического слоя 0,635 мм (стандартная толщина) с медными слоями 0,3 мм с обеих сторон. Разница 0,065 мм в толщине между двумя типами подложки может легко компенсироваться гибкой системой прижимного контакта. Измеренное статическое термическое сопротивление между полупроводниковым переходом и радиатором SKiM5 модуля [5] с подложкой Al2O3 представлено на рис. 4.

Термическое сопротивление SKiM5 с AI2O3 и SPT IGBT

Как видно при сравнении значений Rth перед и после 50 температурных циклов, тепловое сопротивление уменьшилось по сравнению с начальным значением после температурных циклов. Причина этого уменьшения — маленький зазор, сформированный прижимным контактом между модулем и поверхностью радиатора с нанесенной термопастой. Этот маленький промежуток имеет высокое гидравлическое сопротивление для термопасты, приводящее к большой постоянной времени для распределения теплопроводящего слоя. Этот процесс усиливается влиянием теплового расширения в течение температурного цикла. Тот же самый эффект наблюдается с AlN-версией SKiM5 (рис. 5).

Термическое сопротивление SKiM5 с AIN и Trench IGBT

Здесь использовался IGBT-модуль с технологией «Trench-gate» (технология «утопленного» канала, позволяющая снизить удельное сопротивление транзистора), который имеет такой же размер основания, как SPT. Уменьшение термического сопротивления также наблюдается при активном рабочем цикле. Эти результаты демонстрируют широкую гибкость системы, позволяя использовать различные типы керамик и IGBT-модулей без замены корпуса.

Интеллектуальный драйвер базы с защелкивающимися контактами

Качество силовой электронной системы определяется не только силовыми полупроводниками, но и взаимодействием между компонентами (силовая схема, схема управления) комплексной системы. Для соответствия этим требованиям был разработан оптимизированный драйвер для управления шеститранзисторным (six-pack) IGBT. Этот драйвер является законченным решением с функциями встроенной защиты и мониторинга, электрической изоляции, снабжен разъемами для внешних датчиков тока и интерфейсом для микро- или DSP-контроллера.

Есть только один драйвер базы для SKiM4 и один для SKiM5, который может использоваться для всего доступного диапазона напряжений и токов. Оба драйвера соответствуют требованиям крепежных расстояний для модулей 1700 В так же, как для 600 и 1200 В. Адаптация драйвера к индивидуальным модулям реализована с помощью DIP-переключателей.

Драйверы базы SKiM-модулей используют технологию защелкивающих контактов и не нуждаются в спаивании, проводном или штекерном соединении. Электрические соединения реализованы через пружинные контакты, встроенные в силовые модули (рис. 2), и через контактные площадки на поверхности платы драйвера. После сборки контактные площадки на печатной плате нажимают на пружинные контакты силового модуля, устанавливая электрический контакт (рис. 6). Драйвер может быть подключен к нерегулируемому источнику питания (13–30 В). Требуемое напряжение питания для первой ступени драйвера (согласующей) выдает широкодиапазонный источник питания. Управляющее напряжение и сигналы контроля (15 В CMOS-уровень) для верхнего и нижнего плеча IGBT передаются через трансформаторы. В дополнение к функции драйвера базы, нескольким защитам и контролю ряда параметров в драйвере реализованы функции подавления коротких импульсов, блокировка для верхнего и нижнего плеча IGBT, контроль падения напряжения, контроль Vce (контроль недонасыщения, приводящего к неполному отпиранию силового элемента), защита от перегрева, защита от перегрузки по току, мониторинг напряжения DC-шины, память ошибок и обратная связь при ошибке.

Присоединение защелкивающегося драйвера

Время блокировки может быть отрегулировано индивидуально пользователем. Кроме того, можно отключить блокировку между верхними и нижними силовыми ключами, чтобы ввести верхнее и нижнее плечо одновременно в режим перекрытия (например, топология CSI).

Системой защиты от превышения тока (Over-Current Protection, OCP) и контроля недонасыщения могут быть обнаружены токи короткозамкнутого контура и перегрузки по току. Эти функции способны безопасно отключить IGBT при возникновении ошибки в течение условий состояния ошибки. При этом OCP-система требует контроля выходного переменного тока на каждой фазе. Это реализовано внешними закрытыми датчиками тока. Эти датчики могут быть подключены к плате драйвера базы через встроенные штепсельные разъемы. Электропитание для датчиков тока (напряжение питания и ток компенсации) обеспечивается схемой драйвера.

Система OCP реагирует в пределах менее 1 мкс и обеспечивает надежную защиту модуля SKiM. В отличие от защиты Vce, OCP независима от температуры полупроводникового перехода. Дополнительно мониторинг недонасыщения защищает каждую фазу от внутреннего короткого замыкания (защита от пробоя).

Фактические величины температуры радиатора, силы тока и напряжения на DC-шине доступны как аналоговые сигналы напряжения в пользовательском интерфейсе. Чтобы спроектировать драйвер базы с вышеупомянутыми особенностями и соблюдением крепежных расстояний для модуля 1700 В, обычно требуется большая печатная монтажная плата. Со специально разработанным для этих целей контроллером удалось уменьшить размер платы драйвера и количество дискретных компонентов, что способствовало улучшению надежности драйвера и комплексной системы.

Заключение

Технология прижимного контакта адаптирована для разработки семейства безбазовых модулей SKiM. SKiM позволяет легко производить замену типов керамических подложек и поэтому является гибким решением для построения силовых инверторов. Кроме того, это решение компактно и надежно. Наряду с интеллектуальным драйвером базы с защелкивающимися контактами, эти факторы позволяют легко разрабатывать компактные инверторы со встроенной самозащитой для диапазона 30–300 кВ·А.

Литература

  1. K. Backhaus. Performance of New Compact Power Semiconductor Module Families Featuring Pressure Contact Technology. Proc. PCIM 1999. Part Power Conversion.
  2. U. Scheuermann, A Novel Power Module Design and Technology for Improved Power Cycling Capability // Microelectronic Reliability 41. 9-10. 2001.
  3. M. H. Poech, R. Eisele, A Modelling Approach to Assess the Creep Behaviour of Large-AreaSolder Joints // Microelectronic Reliability 40. 2000.
  4. H. Ruedi, Modular SCALE Driver Solution for EconoPACK+. Proc. PCIM. PC10.5. Nuremberg. 2001.
  5. U. Hecht, U. Scheuermann, Static and Transient Thermal Resistance of Advanced Power Modules. Proc. PCIM. PC10.3. Nuremberg. 2001.

    Скачать статью в формате PDF  Скачать статью Компоненты и технологии PDF

     


    Сообщить об ошибке