Рубрики
Составляющие силовой электроники

Силовые интегральные модули 6-го поколения компании Fuji Electric

Силовые интегральные модули 6-го поколения компании Fuji Electric Петропавловский Юрий Компания Fuji Electric практически 90 годов назад появилась как одно из первых немецко-японских

Силовые интегральные модули 6-го поколения компании Fuji Electric Петропавловский Юрий

Компания Fuji Electric практически 90 годов назад появилась как одно из первых немецко-японских электротехнических компаний. В текущее время компания является большим холдингом — Fuji Electric Holding Co., Ltd., состоящим из 4 головных отделений, занимающихся разработкой и созданием электротехнического оборудования, оборудования для промышленной автоматизации, полупроводниковых устройств и оборудования для систем розничной торговли.

Компания Fuji Electric практически 90 годов назад появилась как одно из первых немецко-японских электротехнических компаний. Восточную сторону тогда представляла компания Furukawa Electric Co., Ltd, основоположником которой был Фурукава Ичибей (Furukawa Ichibei, рис. 1). Партнером со стороны Запада выступила компания Siemens AG, 1-ый японский кабинет которой в 1887 г. основал Герман Кесслер (Hermann Kessler, рис. 2). В 1923 г. 2-мя фирмами было основано совместное предприятие Fuji Denki Seizo K.K. (с 1984 г. — Fuji Electric), 1-ое слово в заглавии которого составлено из сочетаний букв Fu и ji (в японской транскрипции Siemens — Jiimensu) [1].

Силовые интегральные модули 6-го поколения компании Fuji Electric

Рис. 1. Фурукава Ичибей, 1832-1903 гг.

Силовые интегральные модули 6-го поколения компании Fuji Electric

Рис. 2. Герман Кесслер

В текущее время компания является большим холдингом — Fuji Electric Holding Co., Ltd., состоящим из 4 головных отделений, занимающихся разработкой и созданием электротехнического оборудования, оборудования для промышленной автоматизации, полупроводниковых устройств и оборудования для систем розничной торговли. Разработка и создание полупроводниковых устройств находится в компетенции Fuji Electric Device Technology Co., Ltd. Не считая того, в холдинг входят еще 33 компании различного профиля, расположенные в Стране восходящего солнца, и 21 компания с кабинетами и производствами в других странах (в главном в Азии). Численность персонала холдинга — 22 799 чел. (на 31 марта 2009 г.), президент и уполномоченный директор (с 1 апреля 2010 г.) — Атсуси Асамура (Atsushi Asamura, сменил на посту Харуо Ито) [2].

В конце 2008 г. в Нюрнберге было заключено соглашение меж Fuji Electric и SEMIKRON о партнерстве в области производства и сбыта силовых полупроводников [3] (рис. 3). Европейское подразделение компании Fuji Electric Europe GmBH находится в г. Оффенбах-на-Майне [12], интересы компании в Рф представляет компания IGBT Electronics (г. Новосибирск) [13].

Силовые интегральные модули 6-го поколения компании Fuji Electric

Рис. 3. Представители компаний Fuji Electric и SEMIKRON Хисао Сигекане (Hisao Shigekane) и Дирк Хейденрейч (Dirk Heidenreich) на подписании контракта о совместной деятельности

Fuji Electric выпускает широкую номенклатуру силовых полупроводниковых устройств в последующих категориях: силовые модули и дискретные IGBT, микросхемы для импульсных источников питания, массивные MOSFET, выпрямительные диоды и модули для авто приложений [4]. Силовые модули подразделятся на IGBT Modules PIM (Power Integrated Module), IGBT Modules 6-Pack, IGBT Modules 4-Pack, IGBT Modules 2-Pack, IGBT Modules 1-Pack. В каталоге компании за 2010 г. представлено более 200 наименований силовых модулей IGBT разных серий и конфигураций.

PIM выпускаются в 3-х сериях: S (4-е поколение, разработка Planar-PT); U (5-е поколение, Trench/Planar-NPT); V (6-е поколение, Trench-FS). В первый раз силовые модули серии V компания представила в конце 2008 г. На выставке PCIM 2009 в Нюрнберге они были продемонстрированы в корпусах с пружинными выводами (рис. 4) [5]. В модулях использованы Trench-FS IGBT, отличительной особенностью устройств является наличие буферного FS-слоя (Field stop layer), содействующего понижению напряжения насыщения транзистора и значительному уменьшению площади кристалла [6].

Силовые интегральные модули 6-го поколения компании Fuji Electric

Рис. 4. Модуль V-серии New Dual

Fuji Electric разработала первую коммерческую линейку IGBT в 1988 г., и с того времени размеры разрабатываемых кристаллов и утраты мощности IGBT новых линеек модулей повсевременно уменьшались (рис. 5). PIM V-серии являются последней разработкой компании, а ряд их характеристик значительно улучшен по сопоставлению с чертами модулей прошлых U- и S-серий, при всем этом размеры новейших модулей приблизительно на 30% меньше. Подложка новых устройств выполнена из нитрида кремния (SiN), имеющего неплохую теплопроводимость, что допускает краткосрочную работу модулей даже при температуре кристаллов +175 °С, а длительная работа вероятна при температуре +150 °С. Уменьшение размеров кристаллов и корпусов позволит в итоге понизить себестоимость модулей и стоимость инверторов, построенных на их базе. В устройствах новейшей серии оптимизирована работа IGBT и FWD на интервале включения, в итоге чего снизился уровень электрических излучений, создаваемых модулями.

Силовые интегральные модули 6-го поколения компании Fuji Electric

Рис. 5. Развитие IGBT Fuji Electric

Модули V-серии обеспечивают высшую надежность коммутации IGBT в критериях больших температур и надежность соединений как в исполнениях Solder Wire, так и Bond Wire. Долговечность (Lifetime) устройств при термоциклировании значительно находится в зависимости от различия наибольшей и малой температур кристаллов, надлежащие зависимости приведены на рис. 6, пунктиром на графиках показаны оценочные значения числа циклов. По результатам испытаний модулей был получен итог длительной надежности 50 000 термоциклов при ΔТ=+100 °С, на базе этих данных компанией рекомендована допустимая длительная температура кристаллов до +150 °С, при всем этом модули V-серии обеспечивают все заявленные характеристики.

Силовые интегральные модули 6-го поколения компании Fuji Electric

Рис. 6. Свойства термоциклирования

В текущее время на предприятиях Fuji Electric обеспечено серийное создание PIM и New Dual (на июль 2010 г. в каталоге отсутствовали), последние выпускаются на наибольшие токи до 200 А в конфигурации «2 в 1» (одна фаза) и допускают параллельную работу 3-х модулей (ток до 600 А). При всем этом параллельные соединения не просит каких-то дополнительных регулировок инверторов.

Компания планирует предстоящее развитие линеек V-серии, разрабатываются массивные модули Econo PACK+ на токи до 550 А и напряжения до 1200 В, новые «2 в 1» на токи до 1400 А и напряжения до 1200 В (Econo PACK — зарегистрированная торговая марка компании Infineon Technologies AG). Разрабатываются малогабаритные модули MiniSKiiP, монтируемые без внедрения пайки, на токи 8-100 А и напряжения до 1200 В (MiniSKiip — зарегистрированная торговая марка компании SEMIKRON), также чипы на напряжение 1700 В для внедрения в модулях Econo PACK+ [7].

Классификационные характеристики модулей V-серии из раздела IGBT Modules PIM каталогa компании 2010 г. [8] приведены в таблице. Разглядим особенности неких модулей более тщательно (применены материалы Data Sheets для определенных модулей).

Таблица. Классификационные характеристики модулей

Тип модуля Iмакс Uмакс Корпус Размеры 7MBR50VP060-50 50 600 M719 107,5-45 7MBR75VP060-50 75 600 M719 7MBR100VP060-50 100 600 M719 7MBR25VM120-50 25 1200 M719 7MBR25VP120-50 25 1200 M719 7MBR35VM120-50 35 1200 M719 7MBR35VP120-50 35 1200 M719 7MBR50VM120-50 50 1200 M719 7MBR50VN120-50 50 1200 M720 122-62 7MBR50VR120-50 50 1200 M720 7MBR75VN120-50 75 1200 M720 7MBR75VR120-50 75 1200 M720 7MBR100VN120-50 100 1200 M720 7MBR100VR120-50 100 1200 M720 7MBR150VN120-50 150 1200 M720 7MBR150VR120-50 150 1200 M720 7MBR25VW120-50 25 1200 M721 107,5-45 7MBR35VW120-50 35 1200 M721 7MBR50VW120-50 50 1200 M721 7MBR50VX120-50 50 1200 M722 122-62 7MBR75VX120-50 75 1200 M722 7MBR100VX120-50 100 1200 M722

7MBR50VP060-50 — IGBT-модуль в малогабаритном корпусе для установки на плату с выводами для пайки (P.C. Board Mount Module). Прибор может быть применен в качестве инвертора устройств регулирования электропривода неизменного и переменного тока, сервоусилителя переменного и неизменного тока (AC and DC Servo Drive Amplifier), источников бесперебойного питания. В состав модуля входят 6 IGBT-инверторов, IGBT тормозного чоппера (Brake), трехфазный выпрямитель (Converter) и терморезистор. Приведем главные характеристики IGBT-инверторов модуля (кроме обозначенных в таблице), в скобках даны уникальные наименования неких характеристик, используемых Fuji Electric:

  • наибольшее напряжение затвор-эмиттер IGBT (Vges) — ±20 В;
  • импульсный ток коллектора (Icp) — 100 А (при tи = 1 мс и T = +80 °C);
  • наибольшая температура корпуса модуля (Тс — Case temperature) — +125 °С;
  • наибольшая мощность рассеяния на коллекторе для 1-го прибора (Рс — Collector power dissipation 1 device) — 200 Вт;
  • напряжение насыщения коллектор-эмиттер (VCE(SAT) — Collector-Emitter saturation voltage) — 2,15 В (типовое значение при Твыв = +125 °С, Iк = 50 А, Uзэ = 15 В);
  • время включения/выключения (ton/toff — Turn-on time/Turn-off time) — 0,36/0,52 мкс (при Uпит = 300 В, Iк = 50 А, Rзатв = 43 Ом, Uзэ = ±15 В);
  • прямое напряжение на антипараллельных диодиках FWD (VF — Forward on voltage) — 1,75 В (при Iд = 50 А, Твыв = +125 °С);
  • время восстановления оборотного сопротивления диодика (trr — Reverse recovery time) — менее 0,35 мкс;
  • сопротивление терморезистора (R — Resistance) — 5000 Ом/495 Ом (типовые значения при Т = +25…+100 °С);
  • термическое сопротивление (Rth — Thermal resistance, 1 device) — 0,71-1,15 °С/Вт (IGBT/FWD).

Модули 7MBR75VP060-50, 7MBR100VP060-50 отличаются очень допустимыми токами и некими электронными параметрами. Приведем значения для модуля 7MBR75VP060-50, которые отличаются от приведенных выше (в скобках указаны характеристики для 7MBR100VP060-50):

  • импульсный ток коллектора (Icp) — 150 А (200 А);
  • наибольшая мощность рассеяния на коллекторе (Рс) — 300 Вт (430 Вт);
  • напряжение насыщения коллектор-эмиттер (VCE(SAT)) — 1, 9 В при Ткорп = +125 °С, Iк = 75 А, Uзэ = 15 В (2,65 В при Iк = 100 А, Твыв = +125 °С);
  • прямое напряжение на антипараллельных диодиках (VF) — 1,8 В при Iд = 75 А, Т = +125 °С (2,1 В при Iд = 100 А);
  • термическое сопротивление (Rth) — 0,5-0,95 °С/Вт (0,35-0,65 °С/Вт).

Структура и нумерация выводов модулей приведены на рис. 7. Характеристики диодов конверторов (трехфазных выпрямителей) 7MBR50/75/100VP060-50: Uпр = 1,55 В/50 А, 1,55 В/75 А, 1,65 В/100 А соответственно; оборотный ток диодов менее 1 мА. Характеристики IGBT тормозных чопперов модулей 7MBR50/75/100VP060-50 фактически не отличаются от соответственных значений IGBT-инверторов.

Силовые интегральные модули 6-го поколения компании Fuji Electric

Рис. 7. Структура и нумерация выводов модулей 7MBR50VP060-50

Приведем некие графики и зависимости характеристик модулей, необходимость в каких может появиться при разработке аппаратуры. На рис. 8 показаны зависимости токов коллекторов IGBT-инверторов модуля 7MBR100VP060-50 от напряжения коллектор-эмиттер при разных температурах корпуса (свойства проводимости). Энергия утрат переключения (Switching loss) определенных IGBT определяется, в главном, их током коллектора, температурой кристалла и сопротивлением резистора затвора транзистора. Зависимости энергии утрат IGBT-инверторов модуля 75MBR100VP060-50 от сопротивления резистора затвора при разных температурах приведены на рис. 9. На рис. 10, 11 показаны зависимости временных характеристик переключения IGBT-инверторов этого же модуля от тока коллектора и сопротивления резистора затвора соответственно. Обозначения характеристик на графиках: ton — время задержки включения; toff — время задержки выключения; tr — время нарастания; tf — время спада. Частотные характеристики IGBT почти во всем определяются величиной заряда затвора. Зависимости напряжений коллектор-эмиттер и затвор-эмиттер IGBT-инверторов модуля 7MBR100VP060-50 от заряда затвора приведены на рис. 12.

Силовые интегральные модули 6-го поколения компании Fuji Electric

Рис. 8. Зависимости тока коллектора IGBT инверторов модуля 7MBR100VP060-50 от напряжения коллектор-эмиттер: VCE=[B];

Силовые интегральные модули 6-го поколения компании Fuji Electric

Рис. 9. Зависимость энергии утрат IGBT модуля 7MBR100VP060-50 от сопротивления затвора

Силовые интегральные модули 6-го поколения компании Fuji Electric

Рис. 10. Зависимость времени переключения IGBT модулей 7MBR100VP060-50 от тока коллектора

Силовые интегральные модули 6-го поколения компании Fuji Electric

Рис. 11. Зависимость времени переключения IGBT модулей 7MBR100VP060-50 от сопротивления затвора

Силовые интегральные модули 6-го поколения компании Fuji Electric

Рис. 12. Зависимость напряжений коллектор-эмиттер и затвор-эмиттер IGBT-модуля 7MBR100VP060-50 от заряда затвора

7MBR25VM120-50, 7MBR25VP120-50 — интегральные силовые модули в малогабаритных корпусах Solder Wire. Они созданы для работы в приводах трехфазных движков переменного тока, сервоусилителях неизменного и переменного тока, источниках бесперебойного питания, рассчитанных на работу в сетях переменного напряжения 380 В и выше. В состав модулей входят 6 инверторов, тормозной чоппер, трехфазный выпрямитель и терморезистор. Главные характеристики модулей:

  • импульсный ток коллектора инверторов (Vcp) — 50 А (при tи = 1 мс, Т = +80 °С);
  • наибольшая мощность рассеяния на коллекторе (Рс) — 170 Вт (каждого IGBT);
  • наибольшее оборотное напряжение диодов выпрямителя (VRRM) — 1600 В;
  • среднее значение выходного тока выпрямителя (Io) — 25 А (50-60 Гц, синусоидальное);
  • наибольшее оборотное напряжение диодика тормозного чоппера (VRRM) — 1200 В;
  • напряжение насыщения IGBT-инверторов (Vce (sat)) — 2,45 В (при Iк = 25 А, Т = +125 °С, Uзэ = 5 В);
  • время включения/выключения (ton/toff) — 0,39-0,53 мкс (при Uпит = 600 В, Iк = 25 А, Rз = 39 Ом, Uзэ = ±15 В);
  • прямое напряжение на антипараллельных диодиках (VF) — 2,1 В (при Iпр = 25 А, Твыв = +125 °С);
  • время восстановления оборотного сопротивления диодов (trr) — менее 0,1 мкс;
  • входная емкость (Cies) — 2100 пФ (типовое значение при f = 10 МГц, Uзэ = 0 В, Uкэ = 10 В);
  • сопротивление терморезистора (R) — 5000/495 Ом при Т = +25…+100 °С;
  • термическое сопротивление (Rth) — 0,89/1,06/0,97 °C/Вт (IGBT-инверторов/FWD-инверторов/диодов выпрямителя).

Модули 7MBR35VM120-50, 7MBR35VP120-50, 7MBR50VM120-50, 7MBR50VP120-50 отличаются наивысшими выходными токами и некими электронными чертами. Приведем характеристики 7MBR35VM120-50, 7MBR35VP120-50, отличающиеся от соответственных значений 7MBR25VM120-50, 7MBR25VP120-50 (в скобках даны характеристики для 7MBR50VM120-50, 7MBR50VP120-50):

  • импульсный ток коллектора (Icp) — 70 А, при tи = 1 мс, Т = +80 °С (100 А);
  • наибольшая мощность рассеяния на коллекторе (Рс) — 210 Вт (280 Вт);
  • среднее значение тока выпрямителя (Io) — 35 А (50 А), 50-60 Гц, синусоидальное;
  • напряжение насыщения IGBT-инверторов (Vce (sat)) — 2,5 В при Iк = 35 А, Т = +125 °С (2,55 В при Iк = 50 А);
  • прямое напряжение на антипараллельных диодиках (VF) — 2,15 В при Iк = 35 А, Т = +125 °С (2,5 В при Iк = 50 А);
  • термическое сопротивление (Rth) — 0,72/0,91/0,89/0,88 °С/Вт (0,54/0,91/0,72/0,54) IGBT-инверторов/FWD-инверторов/IGBT-чопперов/диодов выпрямителя.

Структура и нумерация выводов модулей 7MBR25/35/50VM120-50 приведена на рис. 13, модулей 7MBR25/35/50VP120-50 — на рис. 14. На рис. 15 показаны зависимости энергии утрат переключения IGBT-инверторов модулей 7MBR50VM120-50, 7MBR50VP120-50 от тока коллектора при разных температурах. Зависимости времени восстановления оборотного сопротивления trr и оборотного тока Irr диодов FWD модулей 7MBR50VM120-50, 7MBR50VP120-50 от прямого тока через их приведены на рис. 16.

Силовые интегральные модули 6-го поколения компании Fuji Electric

Рис. 13. Структура и нумерация выводов модуля 7MBR25VM120-50

Силовые интегральные модули 6-го поколения компании Fuji Electric

Рис. 14. Структура и нумерация выводов модуля 7MBR25VP120-50

Силовые интегральные модули 6-го поколения компании Fuji Electric

Рис. 15. Зависимость энергии утрат переключения IGBT-инверторов модулей 7MBR50VM120-50 от тока коллектора

Силовые интегральные модули 6-го поколения компании Fuji Electric

Рис. 16. Зависимость времени восстановления оборотного сопротивления и оборотного тока антипараллельных диодов модуля 7MBR50VM120-50

7MBR150VN120-50, 7MBR150VR120-50 — интегральные силовые модули в корпусах Solder Wire. Их главные характеристики:

  • импульсный ток коллектора (Icp) — 300 А (при tи = 1 мс, Т = +80 °С);
  • наибольшая мощность рассеяния на коллекторе (Рс) — 885 Вт;
  • напряжение насыщения IGBT инверторов (Vce (sat)) — 2,8 В (при Iк = 150 А, Т = +125 °С);
  • время включения/выключения (ton/toff) — 0,39-0,53 мкс (при Iк = 150 А, Vcc = 600 В, Rз = 1,8 Ом);
  • прямое напряжение на антипараллельных диодиках (VF) — 2,8 В (при Iпр = 150 А, Т = +125 °С);
  • термическое сопротивление (Rth) — 0,17/0,31/0,29/0,24 °С/Вт (IGBT-инверторов/FWD инверторов/IGBT-чопперов/диодов выпрямителя.

Структура и нумерация выводов модулей 7MBR150VN120-50 и 7MBR150VR120-50 приведены на рис. 17 и 18 соответственно. На рис. 19 показаны зависимости энергии утрат переключения модулей от тока коллектора при разных температурах.

Силовые интегральные модули 6-го поколения компании Fuji Electric

Рис. 17. Структура и нумерация выводов модуля 7MBR150VN120-50

Силовые интегральные модули 6-го поколения компании Fuji Electric

Рис. 18. Структура и нумерация выводов модуля 7MBR150VR120-50

Силовые интегральные модули 6-го поколения компании Fuji Electric

Рис. 19. Зависимость энергии утрат переключения IGBT-инверторов модулей 7MBR150VN120-50 и 7MBR150VR120-50 от тока коллектора

7MBR25/35/50VW120-50, 7MBR50/75/ 100VX120-50 — силовые интегральные модули в малогабаритных корпусах Bond Wire. Их главные характеристики:

  • импульсный ток коллектора (Icp) — 200 А (при tи = 1 мс, Т = +80 °С);
  • наибольшая мощность рассеяния на коллекторе (Рс) — 520 Вт;
  • напряжение насыщения IGBT-инверторов (Vce (sat)) — 2,5 В (при Iк = 100 А, Т = +125 °С);
  • время включения/выключения (ton/toff) — 0,39-0,53 мкс (при Iк = 100 А, Vcc = 600 B, Rз = 1,6 Ом);
  • прямое напряжение на антипараллельных диодиках (VF) — 2,3 В (при Iпр = 100 А, Т = +125 °С);
  • термическое сопротивление (Rth) — 0,29/0,44/0,39/0,43 °С/Вт (IGBT-инверторов/FWD-инверторов/IGBT-чопперов/диодов выпрямителя).

Кусок габаритного чертежа модуля 7MBR100VX120-50 показан на рис. 20.

Силовые интегральные модули 6-го поколения компании Fuji Electric

Рис. 20. Кусок габаритного чертежа модуля 7MBR100VX120-50

Прямое сопоставление сравнимых характеристик PIM V-, S-, U-серий, приведенных в таблицах технических черт, выявило достоинства модулей серии V в части термических характеристик. Для их нормируются температуры:

  • кристаллов IGBT +175 °С (+150 °С у модулей S-, U-серий);
  • диодов выпрямителя +150 °С (для S и U значения не приводятся);
  • корпуса +125 °С (для S и U данные отсутствуют);
  • рабочая температура кристаллов в долгих режимах +150 °С (для S и U данных нет).

Не считая того, в Data Sheet для модулей V-серии приводятся значения ряда характеристик при разных температурах кристаллов +25(+80)(+125)(+150) °С (для серии S — в главном при +25 °С).

Избрать определенные силовые модули, нужные для разработки новейшей аппаратуры либо ремонта и модернизации силовых агрегатов, только по инфы из таблиц с техническими чертами тяжело, так как различные производители силовых полупроводниковых устройств употребляют собственные системы обозначений характеристик и способы их измерения. Управление по применению модулей V-серии пока не выпущено, но полностью можно использовать управление по применению модулей U-серии [9], в каком довольно тщательно приведены способы измерения главных характеристик модулей (в главном в виде графиков и формул) и особенности термического моделирования. Очень тщательно особенности выбора и сопоставления характеристик устройств разных производителей приведены в [10, 11].