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.

Рис. 1. Блок COOLiR2DIE, рассчитанный на размещение в корпусе без разваривания проволочных выводов:
а) вид сверху;
б) вид сбоку

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.

Рис. 2. Предварительное нанесение припоя на 32 мм пластину 70 мкм IGBT привело к серьезному короблению

Для изготовления полумостового модуля COOLiR²BRIDGE были смонтированы два блока COOLiR²DIE. Внешний вид модуля COOLiR²BRIDGE приведен на рис. 3. Модуль рассчитан на напряжение 650 В.

Рис. 3. Внешний вид модуля COOLiR2BRIDGE

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 V_CE(ON), составляющим 1,6 В при температуре 25 °C. Также COOLiR²IGBT характеризуются положительным температурным коэффициентом; V_CE(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 t_fall 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.

Примечание. Условия испытаний: V_CC = 240 В; I_C = 270 А; R_g = 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.