Силовые модули Vishay и их применение

При проектировании входного сетевого выпрямителя мощностью от единиц до нескольких сотен киловатт основными факторами, определяющими выбор силовых компонентов, являются:

• количество фаз питающей сети;
• номинальное сетевое напряжение;
• требуемая мощность нагрузки;
• требуемая стойкость к перегрузкам;
• требования регулирования выходного напряжения и/или тока.

Соответственно, можно выбрать между применением дискретных силовых диодов и тиристоров или силовых модулей в составе одно- (двух-) или же трехфазных неуправляемых, полууправляемых или полностью управляемых выпрямителей, выполняемых в большинстве случаев по мостовой схеме.

Применение силовых модулей обеспечивает следующие преимущества:

• Широкий выбор типоразмеров корпусов.
• Широкий выбор конфигураций (внутренних электрических схем) модулей.
• Наличие диодных, тиристорных и диодно-тиристорных модулей.
• В большинстве линеек доступны модули с допустимым напряжением до 1600 В. (Отдельные серии содержат модули с напряжением до 2000 В и даже до 3000 В.)
• Исключительная стойкость к перегрузкам и перенапряжениям.
• Медное основание модуля электрически изолировано от токоведущих цепей, что позволяет монтировать несколько модулей на общий теплоотвод.
• Высокая электрическая прочность изоляции.
• Весьма малое и стабильное тепловое сопротивление: от силовых чипов до теплоотводящего основания.
• Соответствие требованиям директивы по охране окружающей среды RoHS и стандартам безопасности UL.

Расширенная классификация силовых выпрямительных модулей, предназначенных для работы на сетевой частоте, которые выпускает Vishay, представлена в таблице 1. Эти модули предназначены для построения входных (сетевых) выпрямителей в составе источников бесперебойного питания (ИБП), промышленных сварочных преобразователей, электроприводов, импульсных источников электропитания и других силовых преобразовательных установок.

Примечание.
Максимально допустимая рабочая температура переходов у силовых диодов — +150 °C, у силовых тиристоров — +125 °C.

Параметры серий модулей в корпусе Add-A‑Pak приведены в таблице 2, а варианты электрических схем модулей и их условные обозначения — в таблице 3. Модули в корпусе Add-A‑Pak выполняются по одной из разновидностей технологии DCB bonded с закреплением чипов на теплопроводящем изолированном основании и с разваркой проволочных межсоединений. Технология обеспечивает хорошую электрическую прочность, высокую теплопроводность и умеренную себестоимость.

Примечания.
¹ Символ «х» в обозначении типа модуля кодирует его конфигурацию в соответствии с таблицей 3.
² Диапазон значений максимально допустимых повторяющихся обратных напряжений модулей — от 400 до 1600 В с шагом 200 В. Класс напряжения модуля показывают две последние цифры в его обозначении.

Основной технической проблемой этой технологии является ограниченная стойкость приборов к термоциклированию (вследствие периодического изменения нагрузки или, реже, изменений температуры окружающей среды). Возникающие при этом термомеханические напряжения в зоне жесткого соединения разнородных материалов ведут к усталостному разрушению (постепенной деградации параметров приборов, приводящей в конце концов к катастрофическому отказу). Скорость старения и, соответственно, выдерживаемое количество циклов до отказа определяются главным образом перепадом температуры за цикл. Графики типичной зависимости показаны на рис. 1.

Рис. 1. Совершенствование стойкости силовых модулей Vishay с технологией DCB bonded к многократному термоциклированию

Совершенствование технологии изготовления модулей (в частности, применение материалов с лучшим согласованием термо-механических характеристик) позволяет значительно улучшить их циклостойкость. Новые модули Vishay, относящиеся к седьмому поколению приборов, обеспечивают двукратный выигрыш по этому параметру в сравнении с предыдущими разработками (3–5‑е поколения) и на порядок лучше модулей первого поколения. Силовые выпрямительные модули в корпусе Add-A‑Pak предназначены для установок мощностью до 25–30 кВт.

Параметры серий модулей в корпусе Int-A‑Pak приведены в таблице 4. По большей части они, подобно модулям Add-A‑Pak, основаны на технологии DCB bonded. Однако на заказ возможно изготовление модулей в корпусе Int-A‑Pak прижимной конструкции с радикальным улучшением показателей циклостойкости.

Примечания.
¹ Символ «х» в обозначении типа модуля кодирует его конфигурацию в соответствии с таблицей 3.
² Диапазон значений максимально допустимых повторяющихся обратных напряжений модулей — от 400 до 1600 В с шагом 200 В. Класс напряжения модуля показывают две последние цифры в его обозначении.

Выпрямительные модули Int-A‑Pak предназначены для работы в составе электрооборудования мощностью 35–70 кВт. Для еще большей мощности — 80–90 кВт — применяются силовые модули в корпусе Magn-A‑Pak, которые представлены в таблице 5. Базовой технологией изготовления этих модулей является прижимная, когда кремниевые диски силовых диодов или тиристоров вместе с приваренными к ним молибденовыми термокомпенсаторами прижимаются к основанию, при этом одновременно обеспечиваются низкоомный электрический контакт и хороший теплоотвод. Поскольку такая конструкция значительно дороже, чем DCB bonded, компания Vishay проводит НИОКР по созданию модулей Magn-A‑Pak на ток 250 А на ее основе. Соответствующая продукция должна быть выпущена во второй половине 2014 года и предназначена для применений с относительно равномерной нагрузкой и жесткими требованиями по минимизации стоимости.

Примечания.
¹ Символ «х» в обозначении типа модуля кодирует его конфигурацию в соответствии с таблицей 3.
² Диапазон значений максимально допустимых повторяющихся обратных напряжений модулей — от 400 до 1600 В либо до 2000 или 3000 В с шагом 200 В.  Класс напряжения модуля показывают две последние цифры в его обозначении.

Еще большую мощность нагрузки (ориентировочно до 150 кВт) обеспечивают выпрямительные модули в корпусе Super Magn-A‑Pak. Их номенклатура представлена в таблице 6.

Примечания.
¹ Символ «х» в обозначении типа модуля кодирует его конфигурацию в соответствии с таблицей 3.
² Диапазон значений максимально допустимых повторяющихся обратных напряжений модулей — от 400 до 1600 В или до 2000 В с шагом 200 В.  Класс напряжения модуля показывают две последние цифры в его обозначении.

Основным конкурентом силовых выпрямительных модулей Vishay является продукция таких известных производителей, как IXYS, Semikron, Infineon, Powerex (табл. 7). Аналоги модулей в корпусе Add-A‑Pak выпускают также несколько компаний из Юго-Восточной Азии. Основные параметры модулей-аналогов близки между собой, но могут быть и важные тонкости. В частности, допустимая величина токовой нагрузки может быть указана для различной температуры основания модулей или подошвы радиаторов.

Примечания.
¹ Для уменьшения себестоимости силовые модули серий SKKT273/ и SKKT323/ в корпусе Magn-A‑Pak выполнены по технологии DCB bonded.
² В таблице 7 для примера представлена номенклатура силовых модулей с конфигурацией «диодный полумост» и «тиристорный полумост» соответственно. Доступны альтернативные конфигурации силовых модулей согласно таблице 3.
³ Аналоги силовых модулей в корпусе Add-A‑Pak выпускаются в корпусах Semipak1 (Semikron), X125c (IXYS).
⁴ Аналоги силовых модулей в корпусе Int-A‑Pak выпускаются в корпусах Semipak2 (Semikron), X126a (IXYS), 34‑мм PowerBlock (Infineon).
⁵ Аналоги силовых модулей в корпусе Magn-A‑Pak выпускаются в корпусах Semipak3 (Semikron), X131a (IXYS), 50‑мм PowerBlock (Infineon), POW-R‑BLOK (Powerex).
⁶ Аналоги силовых модулей в корпусе Super Magn-A‑Pak выпускаются в корпусах Semipak5 (Semikron), X136a (IXYS), 60‑мм PowerBlock (Infineon), POW-R‑BLOK (Powerex).

Для установок мощностью от 3 до 50 кВт сетевой выпрямитель может быть выполнен в виде единого модуля. Vishay выпускает такие модули по разным схемам: одно- и трехфазные, неуправляемые, полууправляемые и полностью управляемые мосты (табл. 8).

Помимо диодных и тиристорных силовых модулей для работы на низкой (сетевой) частоте, Vishay предлагает обширнейший портфель модулей для высокочастотных (импульсных) преобразовательных установок. На рис. 2 показана укрупненная типовая электрическая схема источника питания с активным корректором коэффициента мощности и импульсным преобразователем напряжения. Показательно, что его можно полностью выполнить, используя только силовые полупроводниковые приборы в составе модулей в корпусе SOT‑227 от Vishay.

Рис. 2. Типовая электрическая схема источника питания с активным корректором коэффициента мощности и импульсным преобразователем напряжения

В конструктиве SOT‑227, вследствие удобства его применения, выпускаются разные компоненты и узлы. Этот корпус является промышленным стандартом для силовых устройств мощностью порядка единиц киловатт, таких как ИБП, сварочные преобразователи, импульсные источники питания широкого применения. Он обеспечивает оптимальный теплоотвод от чипов на радиатор при хорошей электрической изоляции токоведущих частей от основания — до 3 кВ. При этом достигается наименьшая паразитная индуктивность монтажа по сравнению с другими изолированными корпусами. SOT‑227 удобен для модульного (из «кубиков») конструирования преобразовательных установок (подобно рис. 2).

Конструктив SOT‑227 соответствует требованиям директивы по охране окружающей среды RoHS и стандартам безопасности UL. На рис. 3 представлен портфель приборов в корпусе SOT‑227, выпускаемых Vishay, а также тех, что еще находятся в разработке. Совершенствование идет главным образом в направлении улучшения их тепловых характеристик, что, в свою очередь, позволяет увеличить номинальный ток модулей.

Рис. 3. Приборы в корпусе SOT 227, разрабатываемые и выпускаемые Vishay

Среди силовых чипов, которые могут быть установлены в SOT‑227, — PT-IGBT Ultrafast, NPT-IGBT Warp2, Trench-FieldStoP-IGBT, FRЕD Pt, HEXFRED и MOSFET. Широкий выбор вариантов чипов IGBT и MOSFET (номинальное блокируемое напряжение до 1200 В, номинальный ток от 50 до 175 А) позволяет выбрать оптимальный силовой транзисторный ключ (СТК) для разных задач в диапазоне рабочих частот от одного до нескольких сотен килогерц. IGBT могут дополняться антипараллельными диодами со сверхбыстрым и мягким восстановлением обратной блокирующей способности. Доступны также IGBT с нормированной стойкостью к режиму КЗ в цепи нагрузки.

На базе стандартных модулей SOT‑227 возможно изготовление приборов с заказными характеристиками, топологией и номенклатурой устанавливаемых чипов. Также в корпусе SOT‑227 доступна широкая номенклатура диодов со сверхбыстрым и мягким восстановлением на диапазон номинальных токов от 80 до 280 А и с обратным напряжением до 1200 В. Наличие в портфеле Vishay дополняющих друг друга технологий FRЕD Pt и HEXFRED позволяет пользователю выбрать чипы с оптимальным компромиссом между величинами прямого падения напряжения и времени обратного восстановления в соответствии с требованиями конкретной задачи. Кроме того, FRЕD Pt позволяют увеличить максимально допустимую рабочую температуру модуля до +175 °C.

В таблице 9 указан диапазон возможных характеристик силовых модулей IGBT в корпусах Int-A‑Pak и Dual Int-A‑Pak высотой 30 мм. Vishay выпускает разнообразные модули IGBT и FRЕD для работы в импульсных преобразователях на высокой частоте. На рис. 4 приведены данные, означающие доступные компромиссы характеристик IGBT, которые позволят оптимизировать конкретный проект по соотношению статических и динамических потерь.

Рис. 4. Варианты компромиссов между величиной потерь в проводящем состоянии и коммутационных потерь, предоставляемые различными технологиями IGBT от Vishay

Примечание.
Все IGBT — с антипараллельными диодами.

В таблице 10 представлены параметры силовых модулей IGBT от Vishay с номинальным блокируемым напряжением 600 В. Также доступны IGBT на 1200 В и разнообразные диодные модули, которые здесь не рассматриваются из-за ограниченного размера публикации.

Примечания.
¹PT-IGBT Ultrafast.
² PT-IGBT.
³ Новинка.
⁴ NPT-IGBT Warp2.
⁵ Trench-FieldStop-IGBT.
⁶ Чоппер с верхним IGBT.
⁷ Чоппер с нижним IGBT.
⁸ Пара комплементарных чопперов для работы в преобразователе по схеме косого полумоста.
⁹ В силовой модуль встроен термистор.
¹⁰ Силовые модули Dual Int-A‑Pak доступны как в формате стандартной высоты (30 мм), так и в корпусе уменьшенной высоты — 17 мм (новая разработка). Последний вариант обеспечивает дополнительный выигрыш в отношении уменьшения величины паразитных индуктивностей монтажа.
¹¹ PT-IGBT Warp1.
¹² NPT-IGBT Ultrafast.
¹³ Силовой модуль находится в стадии разработки. Доступны образцы для предварительного ознакомления.
¹⁴ Одна из стоек моста выполнена на NPT-IGBT Warp2 с антипараллельными диодами, вторая — на силовых MOSFET (с сопротивлением в проводящем состоянии 19 мОм).

Заключение

Применение силовых модулей позволяет создавать высоконадежные, компактные и эффективные преобразовательные установки. Vishay предлагает исключительно широкий ассортимент стандартных приборов для работы на низкой (сетевой) частоте и в составе высокочастотных преобразователей.

Стратегическими направлениями развития силовых модулей Vishay являются:

• расширение портфеля в сторону увеличения допустимых токов приборов;
• разработка и освоение производства аналогов популярных моделей стандартных силовых модулей, имеющих большие объемы применения, для соответствия требованиям «второго поставщика»;
• разработка оптимизированных под конкретные требования силовых модулей в среднем диапазоне мощностей для некоторых крупных заказчиков или областей применения.

Использование силовых модулей Vishay позволяет обеспечить быструю и недорогую разработку и освоение производства электрооборудования с высокими техническими характеристиками и стабильным качеством