Компактные 200‑кВ·А IGBT-модули с двухсторонним охлаждением для электрических и гибридных транспортных средств
Введение
Гибридным электромобилям (Hybrid Electric Vehicle — HEV) нужны высокие напряжения и большие токи, что требует решения сложных проблем преобразования энергии, выходящих за рамки обычных задач, связанных с электрическими и электронными системами на транспорте. Возрастающая необходимость обеспечения экономного расходования топлива диктует использование в HEV легких и небольших по габаритам блоков управления электропитанием (Power Control Unit — PCU) [1, 2]. Традиционные силовые IGBT-модули изготавливаются с привариванием проволочных выводов, что становится частой причиной их выхода из строя из-за разных коэффициентов теплового расширения (Coefficient of Thermal Expansion — CTE). Это один из основных факторов, ограничивающих срок службы таких модулей. Транзисторы IGBT и обратные диоды (Free-Wheeling Diode — FWD) с паяемым металлическим слоем на верхней и нижней поверхности каждого кристалла предоставляют возможность беспроводной сборки модулей, обладающих повышенной надежностью при меньшей себестоимости [3, 4]. К тому же в данном случае возможно двухстороннее охлаждение при значительно большей площади теплообмена, что делает проблему отвода тепла проще по сравнению с традиционными силовыми модулями, чья сборка осуществляется с помощью тонкой проволоки.
В настоящей статье рассказывается о разработке компактного полумостового модуля высокой мощности, в котором использованы изготовленные по технологии тонких пластин IGBT-транзисторы и диоды, с возможностью двухстороннего охлаждения. Базовый блок, монтируемый в корпус без разваривания проволочных выводов и называемый COOLiR2DIE, имея размеры всего 28,5×16 мм, рассчитан на мощность 200 кВ·А. Это самый компактный IGBT-блок из известных на сегодняшний день. Благодаря монтажу, не требующему разваривания проволочных выводов, при токе 300 А удается достичь напряжения в открытом состоянии всего 1,6 В. Низкое напряжение в открытом состоянии наряду с большой — из-за наличия металлического слоя SFM (Solderable Front Metal) — площадью теплообмена увеличивает нагрузочную способность IGBT-модуля по току на 30%.
На рис. 1 показан вид сверху и вид сбоку на блок COOLiR2DIE.
Паяемые металлические композиции, используемые в IGBT и диодах, включают Ti-Ni-Ag. Ультратонкие кристаллы IGBT и диода припаивают к DCB (Direct Bonded Copper — слой меди с непосредственной связью), что обеспечивает механическую стабильность и хорошее согласование с коэффициентом теплового расширения (CTE) кремния. Присоединение ультратонкого и большого (12×12 мм) кристалла представляет собой наиболее сложную проблему. На рис. 2 показано, насколько сильное коробление может вызвать нанесение на ультратонкую 32‑мм кремниевую пластину тонкого слоя припоя.
Для изготовления полумостового модуля COOLiR2BRIDGE были смонтированы два блока COOLiR2DIE. Внешний вид модуля COOLiR2BRIDGE приведен на рис. 3. Модуль рассчитан на напряжение 650 В.
Электрические характеристики COOLiR2DIE
Транзисторы IGBT со структурой FS (Field Stop) по сравнению с IGBT со структурой PT (Punch-Through) обеспечивают превосходный компромисс между статическими и динамическими потерями [5]. Типовое значение толщины 650‑В FS IGBT находится в диапазоне 65–75 мкм. Напряжения сжатия или растяжения в металле могут привести к сильному короблению тонких кремниевых пластин, вызывая их механическое разламывание и увеличивая процент брака [6, 7].
В данной статье мы впервые сообщаем об успешной разработке больших (12×12 мм) кристаллов IGBT с вертикальным расположением канала (trench IGBT), имеющих нагрузочную способность по току 300 А и запирающее напряжение свыше 700 В. Транзисторы изготавливаются на тонких (70 мкм) подложках с нанесением слоя паяемого металла как с фронтальной, так и с тыльной стороны. На рис. 4а представлена фотография кристалла IGBT высокой мощности. На рис. 4б приведены его характеристики в режиме прямой проводимости.
Для того чтобы IGBT-модули оптимальным образом подходили для использования в силовых приводах HEV/EV, им требуются совместимые быстродействующие диоды с мягким обратным восстановлением. Такие диоды позволяют минимизировать потери при включении модулей, снизить выбросы напряжения и возникающие колебания («звон»), которые обычно наблюдаются во многих силовых преобразователях. В статье рассказывается о 300‑А 700‑В диодах с паяемым металлическим слоем на фронтальной и тыльной сторонах тонких 70‑мкм подложек. Вид сверху на кристалл диода и его статические характеристики приведены на рис. 5.
Мощность потерь при включении IGBT и уровень генерируемых электромагнитных помех сильно зависят от характеристик обратного восстановления защитных диодов. Нами успешно разработаны диоды с мягким восстановлением, которые, обеспечивая низкую мощность потерь при включении IGBT, не приводят к возникновению возбуждения («звону»). На рис. 6 для сравнения приведены осциллограммы процесса включения IGBT при использовании диодов предыдущего поколения с быстрым восстановлением и новых разработанных диодов с отсутствием возбуждения.
Электрические характеристики модуля COOLiR2BRIDGE
Для изготовления полумостового модуля COOLiR2BRIDGE (рис. 3) были использованы два блока COOLiR2DIE. Выходные характеристики IGBT-транзисторов приведены на рис. 7. Они обладают низким значением VCE(ON), составляющим 1,6 В при температуре 25 °C. Также COOLiR2IGBT характеризуются положительным температурным коэффициентом; VCE(ON) растет с увеличением температуры, что идеально для параллельного включения нескольких блоков COOLiR2DIE, чтобы обеспечить необходимые для различных HEV- и EV-систем уровни выходной мощности.
Мощность потерь при включении и выключении IGBT измерялась при температурах +25 и +150 °C. По осциллограммам (рис. 8 и 9) видно, что включение IGBT осуществляется без возникновения возбуждения. К тому же при увеличении температуры с +25 до +150 °C мощность потерь при включении возрастает всего на 3,8%. Это свидетельствует о том, что обратное восстановление новых диодов COOLiR2Diode практически не зависит от температуры эксплуатации инвертора.
Выключаются IGBT очень быстро. Время спада tfall составляет 70 нс при +25 °C и 90 нс при +150 °C. Мощность, рассеиваемая при выключении IGBT, при температуре +150 °C возрастает на 22%. В таблице приведены усредненные характеристики, описывающие процессы переключения IGBT-транзисторов и диодов, из которых состоит модуль COOLiR2BRIDGE.
Температура |
EON, мкДж |
EOFF, мкДж |
tfall, нс |
+25°C |
15730 |
7860 |
70 |
+150°C |
16328 |
9620 |
90 |
Примечание. Условия испытаний: VCC = 240 В; IC = 270 А; Rg = 6,8 Ом.
Осциллограммы процесса обратного восстановления диодов COOLiR2Diode показаны на рис. 10. По ним видно, что ток обратного восстановления мал, возбуждение не возникает. Отсутствие «звона» на осциллограммах, снятых при работе модуля COOLiR2BRIDGE, свидетельствует о том, что у этих модулей значения паразитных элементов очень малы по сравнению со стандартными IGBT-модулями, изготовленными посредством разваривания проволочных выводов.
Заключение
Компанией IR были успешно разработаны мощные компактные полумостовые IGBT-модули с двухсторонним охлаждением, рассчитанные на ток до 300 А и напряжение до 650 В, в которых используются изготовленные по технологии тонких пластин IGBT-транзисторы и диоды. Базовый блок, монтируемый в корпус без приваривания проволочных выводов и называемый COOLiR2DIE, имея размеры всего 28,5×16 мм, рассчитан на мощность 200 кВ·А. Это самый компактный IGBT-блок из известных на сегодня. Объединение IGBT-транзисторов, имеющих низкий уровень потерь и не вызывающих «звона» обратных диодов в корпусе с незначительными паразитными элементами, позволило создать модули COOLiR2BRIDGE, обладающие существенно лучшими характеристиками.
- Kikuchi T., et. а EVS21, 2005.
- Hironaka R., et. а EVS22, 2006.
- Burress T. International Energy Conversion Engineering Conference. Nashville, Tennesse, June 2010.
- Power EV-HEV 2010 — power electronics in Electric and Hybrid Cars. Yole development. France, 2009.
- Laska T., et. al. Short Circuit Properties of the trench/Field-Stop-IGBTs — Design Aspects for a Superior Robustness. Proc. ISPSD’03, 2003.
- Laska T., Matschitsch M., Scholz W. Ultra thin-wafer technology for a new 600 V‑NPT-IGBT. ISPSD ‘97.
- Chang H.-R., Bu J., Kong G., Labayen R. 300A 650V 70 μm Thin IGBTs with Double-Sided Cooling. Proc. ISPSD 2011.