Рубрики
Электрическая сопоставимость

Русские IGBT силовые модули производства ОАО Контур

Русские IGBT силовые модули производства ОАО Контур Геннадий Бандура Владимир Пастухов В текущее время в силовой электронике высочайшие требования предъявляются как к надежности

Русские IGBT силовые модули производства ОАО Контур Геннадий Бандура
Владимир Пастухов

В текущее время в силовой электронике высочайшие требования предъявляются как к надежности оборудования, так и к его энергетической эффективности. В связи с этим все более пользующимися популярностью становятся силовые модули IGBT, MOSFET и диодные силовые модули.

Каждой из сфер внедрения силовых модулей соответствует различная мощность и рабочая частота (рис. 1).

Русские IGBT силовые модули производства ОАО Контур
Рис. 1. Сферы внедрения силовых модулей

Как видно, наибольшие мощности требуются в энергетике, металлургии и электротранспорте. Потом следуют источники бесперебойного питания, регулируемые электроприводы, робототехника и сварочная техника, большая домашняя техника, авто, источники вторичного питания и аудиовидеотехника. Аналогично можно сделать разделение по рабочей частоте преобразования. Таким макаром, при выборе модулей нужно учесть два вышеперечисленных параметра: исходя из того, в какую область мы попадаем, видно, какие силовые модули идеальнее всего использовать на данной мощности и рабочей частоте — тиристорные, IGBT либо MOSFET модули.

Рынок силовых модулей в Рф на 95% заполнен продукцией ввезенного производства. Но при всем этом есть русские аналоги забугорных силовых модулей. Они, обычно, дешевле и могут применяться там, где запрещено внедрение ввезенной продукции (к примеру, электроника для ВПК). К огорчению, известность русских производителей силовых модулей пока не так широка. Все же, они удачно работают на рынке, равномерно завоевывая популярность у русских разработчиков. Одним из примеров может служить компания ОАО «Контур», работающая на рынке относительно не так давно (с 1998 года), но уже выпускающая широкий диапазон современной элементной базы для производителей преобразовательной, приводной и домашней техники, также для ВПК. Предприятием налажен серийный выпуск более 50 наименований IGBT силовых модулей (на напряжения 600–1700 В и токи до 400 А) и MOSFET силовых модулей (на напряжения 100–800 В и токи 30–500 А). В 2006 году на предприятии в строй было введено стопроцентно автоматическое технологическое оборудование, которое позволяет исключить человечий фактор из процесса производства и обеспечить 100%-ный выходной параметрический контроль изделий. Модули выполняются на базе привезенных из других стран кристаллов ABB Semiconductors, что позволяет получить качество привезенных из других стран модулей по стоимости русских. Послепродажный сервис и техно поддержка всех поставляемых модулей гарантирует разработчику, что он никогда не остается один на один с неработающим изделием, ему всегда придут на помощь квалифицированные спецы. В данной публикации мы разглядим самую широкую и пользующуюся популярностью линейку модулей ОАО «Контур» — IGBT силовые модули.

IGBT (Insulated-Gate Bipolar Transistor) — биполярный транзистор с изолированным затвором. Сейчас эти устройства занимают больший сектор рынка силовых транзисторов. Базу IGBT силовых модулей составляют IGBT-транзисторы. Основными отличиями их от других транзисторов являются: малая величина остаточного напряжения (менее 2,5 В), устойчивость к огромным импульсным токам, малые емкости и заряды затворов, огромные допустимые энергии переключения, расширенный спектр области неопасной работы, высочайшие частоты переключения (до 25 кГц). Благодаря этому модули на их базе имеют высшую надежность, высочайшее быстродействие и удобство в эксплуатации. Структуру устройств составляют одиночный ключ, чоппер, полумост, инвертор. Кристаллы IGBT реализованы на гомогенной структуре SPT с n+ буфером обеспечивающим меньшие статические и динамические утраты, завышенную стойкость и мягенькую коммутацию. Все приборы имеют интегрированный инверсный быстровосстанавливающийся MPS-диод с «мягкими» чертами оборотного восстановления, оптимизированный под применение с STP-IGBT. Корпус модуля включаети золированное медноое основание (беспотенциальный). Изоляция осуществляется керамикой Al2O3. Это приборы с номинальным напряжением в спектре 600–1700 В, падением напряжения менее 1,7–2,0 В и токами до 400 А. Их применение понижает цена систем.

Сейчас ОАО «Контур» выпускает последующие типы силовых IGBT модулей:

  1. Ключ — серия МТКИ (рис. 2).
  2. Полумост — серия М2ТКИ (рис. 3).
  3. Верхний чоппер — серия МТКИД (рис. 4).
  4. Нижний чоппер — серия МДТКИ (рис. 5).
  5. Шестиключевой — М6ТКИ-100-12 (рис. 6).

Русские IGBT силовые модули производства ОАО Контур
Русские IGBT силовые модули производства ОАО Контур
Рис. 2. Ключ (cерия МТКИ)
Рис. 3. Полумост (cерия М2ТКИ)
Русские IGBT силовые модули производства ОАО Контур
Русские IGBT силовые модули производства ОАО Контур
Рис. 4. Верхний чоппер (cерия МТКИД)
Рис. 5. Нижний чоппер (cерия МДТКИ)
Русские IGBT силовые модули производства ОАО Контур
Рис. 6. Шестиключевой (М6ТКИ#100#12)
Таблица 1. Технические характеристики силовых IGBT-модулей ОАО «Контур»
Русские IGBT силовые модули производства ОАО Контур

Примечания:

  • Rthjc — термическое сопротивление меж переходом и корпусом.
  • Uce — напряжение «коллектор–эммитер».
  • Td — время задержки выключения.
  • RthjcD — термическое сопротивление меж кристаллом и основанием.
  • Uf — прямое падение напряжения.
  • trr — время оборотного восстановления.

Свойства корпуса МТКИ (рис. 7):

  • Масса: 240 г.
  • Габариты: 106,5×61,5×36 мм.

Свойства корпуса М2ТКИ (рис. 8):

  • Масса: 240 г.
  • Габариты: 106,5×61,5×46 мм.

Свойства корпуса МТКИД (рис. 9):

  • Масса: 190 г.
  • Габариты: 94x34x36 мм.

Свойства корпуса МДТКИ (рис. 10):

  • Масса: 250 г.
  • Габариты: 122x62x20,5 мм

Русские IGBT силовые модули производства ОАО Контур
Русские IGBT силовые модули производства ОАО Контур
Рис. 7. Корпус МТКИ
Рис. 8. Корпус М2ТКИ
Русские IGBT силовые модули производства ОАО Контур
Русские IGBT силовые модули производства ОАО Контур
Рис. 9. Корпус МТКИД
Рис 10. Корпус МДТКИ

Для удачной и безаварийной работы с IGBT-модулями нужно:

  1. Верно высчитать и избрать драйвер для управления IGBT-модулями.
  2. Верно выполнить установка модуля на конечное изделие, соблюсти термический режим работы.
  3. Верно выполнить электронное подключение модуля.
  4. Убедиться, что при любом режиме работы схемы IGBT-модуль будет работать снутри допустимого для него технического спектра.
  5. Потому что модули чувствительны к статическому пробою, принять меры к защите модуля от статического напряжения.

Разглядим более тщательно данные требования.

1. Для управления силовыми модулями рекомендуется использовать драйверы на базе гибридных интегральных схем серии МД производства ОАО «Контур». Это МД215П, МД250П, МД280П. Любая такая ИС содержит два канала управления транзисторами с максимально допустимым напряжением до 1700 В и обеспечивает защиту от перегрузок, недлинного замыкания в нагрузке, недостающего уровня напряжения на затворе транзистора. Входная и выходная схемы драйвера изолированы друг от друга средством оптронов и трансформаторов с напряжением изоляции до 4 кВ. В случае появления перегрузки либо пониженного напряжения питания драйвер сформировывает статусные сигналы и плавненько выключает силовые транзисторы. При помощи наружных частей режим работы драйвера настраивается для рационального управления разными силовыми модулями. Пиковый выходной ток (для МД280П) — менее 8 А, задержка защитного отключения по Uнас — менее 3 мкс.

Начальными данными для расчета драйвера являются:

  • входная емкость модуля СBвхB либо эквивалентный заряд QBвхB;
  • входное сопротивление модуля RBвхB;
  • размах напряжения на входе модуля ΔU = 30 В (от –15 до +15 В);
  • наибольшая рабочая частота, на которой работает модуль fBmaxB.

Нужно отыскать импульсный ток, протекающий через управляющий вход модуля IBmaxB, наивысшую мощность DC/DC-преобразователя Р.

На рис. 11 приведена эквивалентная схема входа модуля, которая состоит из емкости затвора СBзB, ограничивающего резистора на затворе RBзB и наружного ограничивающего резистора RBогрB. Общий резистор, ограничивающий ток затвора, состоит из RBогрB и RBзB, другими словами RBобщB = RBогрB + RBзB.

Русские IGBT силовые модули производства ОАО Контур
Рис. 11. Эквивалентная схема входа силового модуля

Если в начальных данных задан заряд QBвхB, то нужно перечесть его в эквивалентную входную емкость СBвхB = QBвхB/ΔU.

Реактивная мощность, потребляемая емкостью модуля, рассчитывается по формуле PBcB= fBmaxBxQBвхBxΔU. Общая мощность DC/DC-преобразователя драйвера РBобщB складывается из мощности, потребляемой выходным каскадом драйвера РBвыхB, и реактивной мощности, потребляемой входной емкостью модуля РBсB: Р = РBвыхB+РBсB.

Рабочая частота и размах напряжения на входе модуля при расчетах взяты наивысшими, как следует, получаем очень вероятную при обычной работе драйвера мощность DC/DC-преобразователя.

Зная общее сопротивление ограничивающего резистора RBобщB, можно отыскать импульсный ток протекания через драйвер: IBmaxB = ΔU/RBобщB.

Беря во внимание результаты расчетов, можно произвести выбор драйвера, нужного для управления избранным модулем.

Мощность, выделяемая на ограничивающем резисторе RBогрB, рассчитывается по формуле РBRогрB = IP2PBсредBxR, где IBсредB — средний ток затвора, который можно отыскать по формуле IBсредB = fBmaxBxQBвхB.

2. Чтоб не разрушить модуль при монтаже, нужно учитывать:

  • требования к охладителю (неплоскостность поверхности охладителя, ограниченной крепежными отверстиями, должна быть менее 30 мкм, шероховатость Ra — менее 2,5 мкм);
  • для уменьшения термического сопротивления нужно нанести на основание модуля узкий равномерный слой теплопроводящей пасты (воспрещается наличие в пасте, на контактных поверхностях модуля и охладителя жестких частиц, приводящих при креплении модуля к деформации основания и разрушению внутренних частей модуля);
  • нужно соблюдать порядок затягивания винтов (рис. 12).

Русские IGBT силовые модули производства ОАО Контур
Рис.12. а) Порядок затягивания винтов 1-2 (корпус 34×94 мм); б) порядок затягивания винтов 1-4-3-2 (корпус 62×107 мм)

3. При подключении модуля в схему нужно соблюдать последующие требования:

  • напряжение на затворе транзистора должно быть +15 В при включении и от –5 до –15 В при выключении. Время нарастания и спада напряжения управления должно быть как можно короче. Наибольшее напряжение на затворе не должно превосходить ±20 В;
  • для соединения управляющих выводов модуля с выходом драйвера употребляются проводники как можно наименьшей длины, при всем этом нужно использовать витую пару проводов либо прямой установка платы драйвера на выводы управления модуля;
  • для защиты модулей от коммутационных перенапряжений в цепи «коллекторэмиттер» рекомендуется применение снабберных RC- и RCD-цепей, установленных конкретно на силовых выводах модуля;
  • для минимизации коммутационных перенапряжений индуктивность силовых шин должна быть малой (предпочтителен вариант плоских шин, разбитых изолятором);
  • для выключения тока недлинного замыкания нужно предугадать меры по предотвращению появления огромных коммутационных перенапряжений, которые могут привести к выходу за область неопасной работы и пробою модуля.

Таблица 2. Аналоги силовых IGBT-модулей русского и ввезенного производства
Русские IGBT силовые модули производства ОАО Контур

4. Для надежной и безаварийной работы IGBT-модулей рекомендуются последующие режимы:

  • рабочие пиковые напряжения в схемах должны быть менее 80%, а рабочее неизменное напряжение — 50–60% от классификационного значения напряжения «коллектор–эмиттер»;
  • циклическое пиковое значение тока должно быть менее 80% от классификационного значения неизменного тока коллектора IBкB, однократный ток перегрузки не должен превосходить 2IBсB при продолжительности импульса 1 мс;
  • продолжительность протекания восьмикратного 8IBкB тока перегрузки через каждый транзистор модуля не должна превосходить 5 мкс;
  • температура кристалла не должна превосходить 120 °С, температура основания не должна превосходить 85 °С;
  • при включении преобразователя поначалу подается напряжение питания на систему управления и драйверы, потом на модули. При выключении снятие напряжений питания делается в оборотном порядке.

5. При транспортировке, монтаже и эксплуатации нужно принимать конструктивные меры по защите модулей от воздействия статического напряжения:

  • при транспортировке модулей затвор и управляющий вывод эмиттера должны быть закорочены токопроводящими перемычками, которые не снимаются до момента подключения модуля в схему;
  • для защиты затвора от статического пробоя конкретно в схеме нужно подключение резистора сопротивлением 10–20 кОм параллельно цепи «затвор–эмиттер»;
  • при монтаже непременно применение персоналом заземляющих браслетов, заземленных низковольтных паяльничков с питанием через трансформатор;
  • измерительное и испытательное оборудование должно быть накрепко заземлено.

В критериях жесткой конкуренции сейчас важным нюансом становится то, как спроектированное изделие будет отвечать требованиям рынка. А это, в свою очередь, зависит и от цены девайсов вообщем, и силовых модулей а именно. Потому что силовые модули ОАО «Контур» дешевле на 40–50% собственных забугорных аналогов, то внедрение их в устройстве понижает его цена. В заключение приведем таблицу аналогов силовых IGBT-модулей русского и ввезенного производства. Сопоставление будем проводить с одним русским и 4-мя глобальными производителями IGBT-модулей: «Электровыпрямитель», SEMIKRON, International Rectifier, EUPEC, Митсубиши.