Новые поколения силовых модулей IGBT фирмы SEMIKRON

Жесткая конкуренция, действующая в сфере производства компонентов силовой электроники, требует от фирм-производителей постоянного улучшения параметров компонентов, совершенствования технологий, разработки новых поколений элементов с уникальными характеристиками. Этого же требуют и растущие мировые требования по энергосбережению, эффективности и миниатюризации силовых преобразовательных устройств. Благодаря усилиям своих инженеров и конструкторов фирма SEMIKRON является бессменным лидером в области компонентов для мощных применений. На выставке PCIM?2003, прошедшей в Нюрнберге в мае 2003 года, были представлены новые поколения модулей IGBT SEMIKRON — MiniSKiiP II и SEMiX, появление которых еще сильнее закрепляют лидерство SEMIKRON среди производителей элементов силовой электроники.

Миниатюрные модули IGBT MiniSKiiP II

Снижение габаритов силового каскада при повышении его эффективности и мощности — основная задача любой компании, действующей на рынке силовых преобразовательных устройств. В 1996 году фирма SEMIKRON выпустила на рынок первое поколение миниатюрных модулей MiniSKiiP, предназначенных для работы в диапазоне мощностей до 10 кВт. По международной классификации эти модули обозначаются CIB (Converter, Inverter, Brake), они содержат выпрямительный мост (однофазный или трехфазный), 3-фазный мост IGBT, тормозной транзистор. Модуль может также включать датчики тока и температуры. Подобные изделия выпускаются многими фирмами, в частности International Rectifier, Fairchild, EUPEC, однако по уровню плотности мощности в заданном габарите и по электрическим характеристикам модули SEMIKRON значительно превосходят конкурентов. И особенно это лидерство укрепилось с появлением модулей нового, второго поколения. Модули MiniSKiiP II отличаются применением новейших кристаллов IGBT, улучшенными тепловыми, электрическими и конструктивными характеристиками, расширенным диапазоном мощности.

В модулях MiniSKiiP II реализованы все достижения, обеспечивающие компонентам SEMIKRON высочайший уровень надежности — прижимная технология сборки «pressure contact» и пружинные контакты. Подробно об особенностях технологии прижима и методах обеспечения надежности компонентов SEMIKRON было рассказано ранее на страницах «КиТ» [2, 3].

Основным отличием модулей нового поколения с напряжением 1200 В является использование в них улучшенных кристаллов транзисторов Trench IGBT 3 поколения. За счет уменьшения толщины кристалла удалось добиться заметного снижения потерь [4]. На рис. 2 и в таблице 1 приведены сравнительные характеристики модулей MiniSKiiP двух поколений, а в таблице 2 показаны основные технические параметры и конфигурации модулей MiniSKiiP II.

В качестве антипараллельных диодов в модулях MiniSKiiP II применена новая разработка SEMIKRON — диоды с регулируемым временем жизни носителей и повышенной плотностью тока CAL-HD (Controlled Axial Lifetime — High Density) [5]. Эти диоды хорошо согласуются с транзисторами Trench IGBT по электрическим параметрам и размеру кристалла, имеют меньшее прямое падение напряжения и положительный температурный коэффициент прямого напряжения. Графики зависимости прямого падения напряжения от тока V_F = f(I_F) для диодов CAL и CAL-HD при температуре 27 и 125 °С показаны на рис. 3.

Для модулей, рассчитанных на напряжение 600 В, выбор типа транзисторов обусловлен тем фактом, что рабочие частоты устройств, где применяются такие модули, как правило, находятся в диапазоне 10–16 кГц. На этих частотах транзисторы IGBT класса Ultrafast NPT имеют оптимальное соотношение статических потерь, обусловленных напряжением насыщения V_CE(sat), и динамических потерь, определяемых энергией потерь ESW. По уровню потерь транзисторы Ultrafast NPT имеют преимущество перед стандартными NPT IGBT примерно на 35%.

Для серии MiniSKiiP II были разработаны новые миниатюрные корпуса, внешний вид которых показан на рис. 2. Самый маленький из них Mini 0 имеет размер 31×34×16. Размеры наиболее мощного — Mini 3 составляют 59×82×16. Для подключения модуля используются пружинные контакты, временная и тепловая стабильность параметров которых подтверждается многочисленными испытаниями. Конструкция контактов для модулей второго поколения была доработана в части увеличения допустимой токовой нагрузки. Для изготовления контактов применен сплав, позволивший повысить допустимую токовую нагрузку почти в 2 раза. Каждый контакт нового модуля рассчитан на ток до 20 А, при этом его перегрев не превышает 20 °С. Для сильноточных выводов используется параллельное соединение пружинных выводов, их количество может достигать 8 для 1 силового терминала. На рис. 1 показано, как осуществляется соединение модуля MiniSKiiP II с радиатором и платой драйвера.

Толщина керамической DBC-платы, на которой установлены силовые кристаллы для модулей MiniSKiiP I, равна 0,63 мм. Вклад теплового сопротивления керамической платы вместе со слоем теплопроводящей пасты в общем значении сопротивления R_thjs составляет 30%. В модулях второго поколения толщина керамики снижена до 0,38 мм, что привело к снижению суммарного теплового сопротивления примерно на 10%. Это явилось главным фактором, позволившим расширить диапазон рабочих токов при меньших размерах модуля и сохранить показатели надежности на прежнем уровне.

Для дальнейшего снижения габаритов изделия в модулях MiniSKiiP II применена новая конструкция прижимной крышки. Теперь она не сплошная, 95% поверхности крышки составляют полости, в них могут располагаться компоненты платы управления, имеющие высоту до 3,5 мм. На рис. 1 видно, что элементы схемы управления расположены непосредственно под крышкой. Кроме того, такая конструкция способствует лучшему отводу тепла.

Рабочие напряжения модулей MiniSKiiP II, диапазоны токов и конфигурации схем приведены в таблице 2. Во всех вариантах модули снабжены линейным термодатчиком РТС. В отличие от модулей предыдущего поколения токовые шунты исключены из схемы. Эмиттеры транзисторов IGBT инвертора выведены отдельно, и пользователь может сам выбрать тип и номинал токового сенсора.

На рис. 4 показана функциональная схема и внешний вид разработанного SEMIKRON конвертора, содержащего модуль SKiiP-83ANB15 (тиристорный выпрямитель и тормозной транзистор), модуль SKiiP-83AC12I (3-фазный инвертор IGBT с датчиками фазного тока), блок конденсаторов шины питания, плату драйвера, источник питания и схему плавного заряда емкостей. Конвертор смонтирован на теплоотводе Р14 производства SEMIKRON.

Кроме модулей серии MiniSKiiP, являющихся уникальными по своим конструктивным параметрам, SEMIKRON выпускает модули CIB в стандартных корпусах. Серия таких модулей называется SEMITOP, их внешний вид показан на рис. 5. Над совершенствованием этих изделий также идет постоянная работа, недавно SEMIKRON представил модули SEMITOP с улучшенными характеристиками. Новые компоненты предназначены для применений с выходной мощностью до 15 кВт. Это приводы общего назначения, сервоприводы, приводы стиральных машин, системы кондиционирования, пылесосы. Модули SEMITOP 3 в конфигурации CIB имеют рабочее напряжение 600 В и ток 25 А при температуре 80 °С.

При аналогичных значениях предельных параметров размеры модулей SEMITOP на 30% меньше, чем у ближайших аналогов. Они выполнены по прижимной технологии SKiiP без базовой платы, что обеспечивает лучшие тепловые характеристики и показатели надежности для изделий, предназначенных для использования в диапазоне малых мощностей.

SEMiX — новое поколение модулей IGBT

Основной причиной выпуска нового семейства модулей SEMIKRON, получившего название SEMiX, была необходимость создать конкуренцию модулям EconoPACK+, разработанным EUPEC и являющимся чрезвычайно популярными в своем классе. Очевидно поэтому во всех материалах и презентациях, посвященных SEMiX, проводится сравнение их характеристик с параметрами модулей Econopack+.

Для решения задачи обеспечения соизмеримых и лучших параметров и получения большей мощности в аналогичном габарите специалисты SEMIKRON отказались от своей традиционной технологии прижимного контакта и разработали серию модулей новой плоской конструкции, внешний вид которых приведен на рис. 6. Каждый модуль содержит 2, 3 или 4 параллельно соединенных полумоста. Модули отличаются только длиной, что упрощает разработку вариантов конструкции для изделий различной мощности. Для подключения тепловой защиты на базовой плате модулей установлен термодатчик с NTC-характеристикой.

На рис. 7 показаны основные конструктивные особенности модулей SEMiX. На медном несущем основании располагается 2 или 3 керамические DBC-платы с силовыми кристаллами Trench IGBT (с антипараллельными диодами CAL HD) или SPT IGBT (с антипараллельными диодами CAL).

Для подключения переходной платы (выделено зеленым), на которой расположены сигнальные штыревые выводы, используются пружинные контакты, конструкция которых, разработанная SEMIKRON, многократно подтвердила свою надежность и высокие технические характеристики. Силовые кристаллы соединяются с керамической платой с помощью пайки. Далее конструкция, установленная в корпусную рамку, заливается силиконовым гелем.

Из рис. 8, на котором представлен внешний вид модулей SEMiX 33 и EconoPACK+, видно, что эти элементы имеют схожие конструктивы. У них идентичны крепежные размеры, габаритные размеры и расположение силовых терминалов. Однако модули SEMIKRON имеют ряд существенных технологических преимуществ, что выразилось в улучшении тепловых и электрических параметров. Сравнительные характеристики модулей приведены в таблице 3.

Немногие разработчики при расчете тепловых режимов преобразователя учитывают потери, создаваемые переходным сопротивлением силовых выводов. Однако, например, при токе 450 А, потери на выводах модуля EconoPACK+ FS450R12KE3 с сопротивлением R_CC+EE = 1,1 мОм оказываются больше 200 Вт! В модуле SEMiX 703GB126HD, где это сопротивление снижено до 0,8 мОм, выигрыш составляет около 60 Вт.

Уменьшение значения тепловых сопротивлений «кристалл — корпус» и «корпус — теплосток» позволяет снизить температуру кристалла и, соответственно, увеличить допустимые токовые нагрузки модуля. Это в сочетании с меньшим напряжением насыщения позволяет компенсировать несколько более высокие динамические потери по сравнению с модулями EconoPACK+.

Кроме конкуренции с EUPEC новое поколение модулей разработано для расширения диапазона применения, предоставления пользователям новых возможностей. Рис. 9 иллюстрирует, насколько возросли диапазоны рабочих токов модулей с разным напряжением и технологией кристаллов по сравнению с рядом стандартных продуктов SEMITRANS.

Одним из основных направлений деятельности фирмы SEMIKRON всегда была разработка и производство интеллектуальных силовых модулей [2]. В данном секторе электронных компонентов SEMIKRON занимает лидирующее положение, их изделия семейства SKiiP не имеют мировых аналогов. Кроме производства интеллектуальных модулей, SEMIKRON разрабатывает драйверы для всех типов выпускаемых силовых модулей. Такой же подход использован и при разработке модулей серии SEMiX. На рис. 10 показаны варианты исполнения SEMiX.

На рис. 11 показана зависимость максимальной выходной мощности модулей SEMiX от частоты переключения, а в таблицах 4–6 приведены основные технические характеристики модулей SEMiX, рассчитанных на напряжение 1200 и 1700 В, выпускаемых и готовящихся к производству. При производстве модулей SEMiX используется 2 типа технологии: Trench-IGBT, позволяющая получить сверхнизкие потери проводимости, и SPT-IGBT (Soft Punch Through) с оптимальным сочетанием потерь проводимости и переключения.

Заключение

По данным исследований рынка силовых полупроводниковых компонентов «The worldwide market for Power Semiconductors, 2002», проведенных британским исследовательским институтом IMS (British Market Research Institute), в области производства миниатюрных модулей CIB доля рынка SEMIKRON составляет 30% в мире и более 46% — в Европе.

Расширение гаммы производимых элементов, разработка новых поколений модулей является жесткой необходимостью, диктуемой конкуренцией на рынке электронных компонентов. С другой стороны, расширение номенклатуры и улучшение технических характеристик помогают пользователю осуществить правильный выбор, упростить разработку, сделать ее более конкурентоспособной. С этой точки зрения появление новых серий модулей MiniSKiiP II и SEMiX еще более укрепляет позиции SEMIKRON как мирового лидера в производстве компонентов силовой электроники. На рис. 12 показаны области применения различных типов модулей SEMIKRON.

Основным применением модулей MiniSKiiP являются схемы приводов, что и обусловлено выбором конфигурации CIB. Параметры новых изделий позволяют расширить диапазон их применения до мощности 30 кВт. При этом модули MiniSKiiP II имеют самые малые габариты в своем классе и отличные показатели надежности. Следует также отметить, что кроме стандартных конфигураций, показанных в таблице 2, схема модуля MiniSKiiP может изменяться в зависимости от требований заказчика. Например, на рис. 13 показан вариант схемы инвертора, предназначенный для управления вентильным индукторным двигателем.

Разработка модулей серии SEMiX расширила область применения силовых модулей в стандартном конструктиве до мощностей свыше 150 кВт. При этом SEMIKRON предлагает, как и раньше, изделия с беспрецедентными электрическими, тепловыми характеристиками и показателями надежности.

Литература

1. Daucher Ch., Gobl Ch. MiniSKiiP II — Setting the new benchmark for CIB modules in the power range of 0.37 kW to 30 kW. SEMIKRON International.
2. Колпаков А. SKiiP — интеллектуальные силовые IGBT модули SEMIKRON // Компоненты и технологии. 2003. № 1.
3. Колпаков А. Обеспечение надежности интеллектуальных силовых модулей // Электронные компоненты. 2003. № 4.
4. Laska T., Lorenz L. The field Stop IGBT Concept with an optimized Diode // PCIM Proceedings. 2002. P. 439–442.
5. Колпаков А. Оптимизация параметров антипараллельных диодов SEMIKRON. // Компоненты и технологии. 2003. № 2.