Рубрики
Технологии силовой электроники

SKIM 63/93 – спец силовые модули для авто электроники

SKIM 63/93 – спец силовые модули для авто электроники Андрей Колпаков Понижение уровня выбросов двуокиси углерода и экологическая безопасность — главные требования нашего времени. Авто

SKIM 63/93 – спец силовые модули для авто электроники Андрей Колпаков

Понижение уровня выбросов двуокиси углерода и экологическая безопасность — главные требования нашего времени. Авто промышленность является областью, посильнее всего стимулирующей производителей к поиску новых решений. Большая часть компаний, занимающихся разработкой силовых ключей, пробуют улучшать обычные технологии, приспосабливая их к условиям эксплуатации транспортной электроники. В то же время применение модулей прижимающей конструкции позволяет преодолеть главные трудности, связанные с работой тягового электропривода. Предстоящим шагом на этом пути стало внедрение способа низкотемпературного спекания чипов, в первый раз в мире использованного компанией SEMIKRON при изготовлении умственного модуля привода SKAI. При помощи данных технологий удается стопроцентно исключить развитие усталостных процессов в паяных соединениях и обеспечить высшую стойкость к термоциклированию. Эти и многие другие инновации отыскали свое применение при разработке новейшей серии модулей SKiM (SEMIKRON integrated Module).

К хоть какому электрическому устройству, созданному для работы в тс с гибридным приводом, предъявляется ряд особых требований. Оно должно быть легким, малогабаритным и в то же время способным работать в критериях жестких погодных и механических воздействий.

В гибридных автомобилях новейших поколений употребляется одноконтурная охлаждающая система, температура тосола в какой поддерживается на уровне 105 °С в номинальном режиме и добивается 120 °С при краткосрочных перегрузках. Окружающий воздух в подкапотном пространстве может греться до 125 °С, а температура чипов Tj силового модуля способна превысить значение 150 °С, но во время зимней стоянки кристаллы могут остывать до температур, близких к точке замерзания охлаждающей воды. Работа модулей стандартной конструкции в критериях воздействия термоциклов со настолько высочайшим градиентом безизбежно ведет к сокращению их ресурса [1]. И только спец силовые ключи, созданные для эксплуатации в составе транспортного привода, могут обеспечить требуемые характеристики надежности.

SKIM 63/93 – спец силовые модули для авто электроники

Проектирование нового семейства модулей IGBT выполнялось на базе приведенных в таблице 1 технических требований для электрической аппаратуры, размещаемой в подкапотном пространстве автомобиля с жидкостным остыванием.

Таблица 1. Главные требования, предъявляемые к модулям электропривода
SKIM 63/93 – спец силовые модули для авто электроники

Выпускаемые в текущее время силовые ключи можно условно поделить по принципному конструктивному признаку: наличию либо отсутствию базисной платы (baseplate). Медное основание стандартных модулей является несущим элементом конструкции, при помощи которого делается его крепление к радиатору. В так именуемых «безбазовых» (baseless) конструктивах глиняная изолирующая DBC-подложка устанавливается конкретно на теплоотвод, а крепежные отверстия находятся в корпусе. Главные особенности структуры «базовых» и «безбазовых» модулей показаны на рис. 1.

SKIM 63/93 – спец силовые модули для авто электроники

Мощная базисная плата (обычно, это медная пластинка шириной 3 мм) позволяет прирастить теплоемкость модуля и содействует наилучшему рассредотачиванию тепла, выделяемого кристаллами. Благодаря этому динамический термический импеданс стандартных силовых ключей в области неизменных времени 0,1…1 с несколько меньше, чем у «безбазовых» компонент.

К медному основанию припаивается одна либо несколько глиняних DCB-подложек с чипами. Кристаллы и силовые терминалы соединяются с керамикой способом пайки — это простой метод отвода тепла и обеспечения низкого контактного сопротивления. Дюралевые выводы чипов подключаются к соединительным шинам при помощи ультразвуковой сварки. Модули стандартной конструкции обширно употребляются в разных устройствах, работающих при неизменных либо не достаточно меняющихся выходных токах. Но конкретно паяные соединения являются главным источником отказов силовых ключей в случае, когда нагрузка циклически изменяется в широких границах, что типично для транспортного привода. Предпосылкой этого является разность коэффициентов термического расширения (КТР, либо CTE — Coefficient of Thermal Expansion) сопрягающихся слоев: медного основания, глиняной подложки, кремниевых кристаллов, дюралевых выводов чипов. Повторяющиеся колебания температуры и надлежащие конфигурации линейных размеров частей конструкции приводят к появлению термомеханических стрессов, разрушающих структуру паяных и сварных контактных областей.

Самую большую площадь имеет соединение базисной платы и глиняной DBC-подложки, потому его повреждение в большинстве случаев приводит к выходу из строя силовых ключей. Возможность разрушения конструкции модуля при воздействии термоциклов вырастает экспоненциально с повышением рабочей температуры. Существует эмпирическое соотношение, в согласовании с которым стойкость к термоциклированию миниатюризируется в два раза с ростом температуры на 20 °С.

Разумеется, что модули стандартной конструкции (рис. 1а) не созданы для эксплуатации в критериях, приведенных в таблице 1. Некие производители (к примеру EUPEC/Infineon) употребляют в силовых ключах, нацеленных на транспортные внедрения, композитные материалы (AlSiC либо CuMo), которые еще лучше меди согласованы с керамикой по КТР. Но недочетом композитов является худшая теплопроводимость и еще более высочайшая цена, что ограничивает их общее применение. Подразумевается, что в дальнейшем базисные платы будут изготавливаться из более дешевеньких композитных материалов на базе графита.

Фактически стопроцентно решить делему, связанную с рассогласованием КТР медного основания и глиняной подложки, позволяет разработка прижимающего контакта (pressurecontact technology) SKiiP, разработанная компанией SEMIKRON сначала 1990-х годов и используемая при производстве модулей SKiiP, SKiM, MiniSKiiP, SEMITOP.

На рис. 1б показана структура слоев модуля прижимающей конструкции: базисная плата, а как следует, и паяный соединительный слой большой площади в данном случае отсутствует, глиняная DBC-подложка с кристаллами IGBT и диодов установлена конкретно на теплоотвод. Особая прижимающая рамка делает давление в местах большего локального тепловыделения, обеспечивая равномерный отвод тепла на радиатор. При таком методе соединения воздействие термоциклов приводит к тому, что керамическое основание модуля «плавает» по слою теплопроводящей пасты относительно теплоотвода, не испытывая термомеханических напряжений. В схожих критериях эксплуатации это позволяет приблизительно на порядок повысить стойкость силовых ключей к термоциклированию. Ухудшение свойства рассредотачивания тепла в модулях прижимающего типа компенсируется за счет использования более узкого слоя теплопроводящей пасты. Рекомендуемая толщина слоя для модулей стандартной конструкции составляет 50…100 мкм, а для компонент прижимающего типа, отличающихся более высочайшей равномерностью и плоскостностью глиняного основания, — 20…60 мкм. Естественно, что для обеспечения требуемых термических черт к качеству обработки поверхности радиатора в последнем случае предъявляются более высочайшие требования.

Последующим по интенсивности отказов является паяное соединение кремниевых чипов с DBC-платой. Кремний еще лучше согласован с керамикой по КТР, чем медь, но, как демонстрируют тесты, конкретно отслоение кристаллов от изолирующей подложки является основной предпосылкой выхода из строя модулей прижимающего типа. Решить данную делему позволяет разработка низкотемпературного спекания (low temperature sintering technology) [5], в первый раз в мире примененная SEMIKRON при производстве умственного модуля привода электромобиля SKAI.

Не плохое сочетание электронных и термических черт, высочайшая плотность мощности и беспримерные характеристики надежности модулей SKAI позволили SEMIKRON выиграть тендер правительства США и получить в 2004 году приз «Поставщик года» от компании Дженерал моторс. Прижимающая конструкция SKiiP и разработка спекания были применены и при проектировании нового семейства модулей для транспортных применений SKiM.

Первыми компонентами новейшей серии, доступными для заказа в качестве инженерных образцов, стали силовые ключи SKiM 63 и SKiM 93, созданные для использования в составе 3-фазного тягового электропривода мощностью 60…180 кВт. Модули SKiM состоят из 3-х независящих полумостовых каскадов, любой из которых обеспечен отдельным NTC-термодатчиком.

Для приближения к современным конструкторским эталонам силовые DC и АС терминалы SKiM имеют высоту 17 мм, размеры корпусов (114 — 160 мм2 и 150 — 160 мм2), а размещение выводов соответствует пользующимся популярностью конструктивам ECONO+ и SEMiX 33c (см. рис. 2 и 8). Рабочий ток SKiM®63/93 составляет 600/900 А для версии с рабочим напряжением 600 В и 300/450 А для версии 1200 В.

SKIM 63/93 – спец силовые модули для авто электроники

Как и в ключах серии SEMiX, силовые AC и DC терминалы размещены в одной плоскости по различные стороны корпуса. Сигнальные пружинные контакты, созданные для подключения платы управления, находятся в высшей части корпуса, что позволяет устанавливать драйвер конкретно на модуль также без внедрения пайки.

На рис. 4 показана конструкция DC-шины и силовых терминалов модуля SKiM. Заслуживает внимания фактически безупречная плоско-параллельная структура слоев шины, оканчивающихся выводами для подключения звена неизменного тока. За счет минимизации токовой петли в модулях SKiM удалось достигнуть максимально низкого значения распределенной индуктивности (Ls < 10 нГн).

SKIM 63/93 – спец силовые модули для авто электроники
SKIM 63/93 – спец силовые модули для авто электроники

Прижимающая конструкция SKiM, предусматривающая жесткий и равномерный контакт глиняной DCB-подложки с теплостоком, обеспечивает отсутствие так именуемого биметаллического эффекта. Высочайшая плоскостность подложки и особая обработка радиатора позволяют использовать слой теплопроводящей пасты шириной всего 20 мкм. Таким макаром удается скомпенсировать некое ухудшение свойства рассредотачивания тепла, связанное с отсутствием громоздкой базисной платы. Напомним, что при установке на теплоотвод стандартных модулей IGBT номинальная толщина слоя составляет в среднем 100 мкм, что нужно для вытеснения воздуха из области сопряжения.

Корпус модулей SKiM выполнен из материала, удовлетворяющего самым жестким требованиям по климатическим воздействиям и термоциклированию. Это полиамид, качество которого как полимерного материала характеризуется последующими параметрами: CTI > 600 В (Comparative Tracking Index — дугостойкость) и RTI = 150 °C (Relative Temperature Index — параметр, определяемый как значение температуры материала, при которой в течение 100 000 ч его главные характеристики ухудшаются на 50%).

Подключение сигнальных выводов к плате управления осуществляется при помощи пружинных контактов, надежность работы которых в критериях томных погодных и механических воздействий доказана надлежащими испытаниями и долголетним опытом эксплуатации [8]. Пружины размещены в пазах силовых шин и зафиксированы при помощи особых направляющих, как показано на рис. 6б.

Для установки кристаллов на глиняную DBC-подложку была применена уникальная разработка низкотемпературного спекания [5]. Термическое сопротивление контактного слоя, состоящего из спеченного серебряного нанопорошка, еще ниже, чем у паяного соединения. Размеренный и надежный механический и термический контакт обеспечивается благодаря высочайшей температуре плавления серебра (960 °C, что намного выше, чем у всех применяемых в индустрии припоев), низкой пористости и высочайшей равномерности порошковой структуры. В таком материале не развиваются усталостные процессы, что позволяет получить неплохую стойкость к термоциклированию и прирастить срок службы силовых ключей.

Благодаря уникальным технологическим свойствам паста из микрочастиц серебра может с фуррором поменять классические мягенькие и жесткие припои. Ее внедрение дает возможность упростить процесс установки чипов, также убрать производственные этапы, нужные для адаптации параметров припоя и технологии пайки к определенным типам чипов и подложек. Так как контактная область состоит фактически из незапятнанного серебра, она имеет еще наилучшую электро- и теплопроводимость, чем хоть какой другой материал. Данная разработка применима для всех типов кристаллов и керамик.

Качество и надежность спеченного слоя даже в предельных режимах оказываются намного выше, чем у паяного соединения, так как серебряная паста (в отличие от припоя) работает при температурах, еще наименьших температуры плавления. Тесты демонстрируют, что применение новейшей технологии позволяет повысить рабочую температуру электрических модулей до 300 °С, что делает процесс низкотемпературного спекания применимым для монтажа многообещающих чипов на базе карбида кремния (SiC).

Модуль Юнга спеченного серебра составляет приблизительно 9 ГПа при относительной плотности 80%. Благодаря настолько низкой упругости слоя (12% от значения незапятнанного серебра) значительно понижается уровень механических напряжений, передаваемых на кристалл. В отличие от паяного соединения, склонного к образованию огромных лакун, пористость спеченного слоя очень мала и равномерна (см. рис. 5б), вследствие чего при отводе огромного количества тепла исключена возможность появления точек локального перегрева (hot spots). При неблагоприятных критериях эксплуатации в стандартных припоях могут создаваться хрупкие интерметаллические структуры, снижающие его механическую крепкость. Формирование интерметаллидов в серебряном слое фактически исключено.

SKIM 63/93 – спец силовые модули для авто электроники

Графики, показанные на рис. 5а, показывают, как увеличивается стойкость силового ключа к термоциклированию при использовании нового типа соединения по сопоставлению с классической пайкой. Как видно из представленных эпюр, после 30 тыщ испытательных термоциклов (при dT = 110 °С) термическое сопротивление модуля классической конструкции возрастает приблизительно на 15%, а после 40 тыщ термоциклов — уже более чем на 50% относительно исходного значения. При этих же критериях термические свойства силового ключа, сделанного с применением процесса спекания, остаются постоянными.

Для обеспечения неплохого рассредотачивания токов и понижения утрат проводимости в модулях SKiM организован так именуемый многоточечный доступ к силовым шинам, при котором выводы каждого чипа IGBT и антипараллельного диодика имеют личное соединение с силовыми терминалами модуля (см. рис. 6а). Такая конструкция позволяет кардинально понизить активное сопротивление соединительных шин и обеспечить суммарное значение сопротивления силовых выводов на уровне RCC’+EE’ ≤ 0,3 мΩ, это в 3,5 раза меньше аналогичного показателя для стандартных модулей типоразмера 62 мм (типовое значение RCC’+EE ≈ 1,1 мΩ). На рис. 6 показано, как организован многоточечный доступ к DCB-плате, размещение силовых кристаллов на которой приведено на рис. 7. Красноватыми и голубыми стрелками указан путь тока DC-шины при работе чипов IGBT верхнего плеча и оппозитных диодов, зеленоватые стрелки соответствуют выходному току полумоста.

SKIM 63/93 – спец силовые модули для авто электроники
SKIM 63/93 – спец силовые модули для авто электроники

Перед проектировщиками модулей SKiM стояло две главных задачки: разработка конструкции, удовлетворяющей жестким климатическим и механическим требованиям, и поиск рационального сочетания IGBT и диодов, обеспечивающего малый уровень утрат мощности и неплохую электрическую сопоставимость. Для силовых ключей с рабочим напряжением 600 В были применены кристаллы IGBT семейства Trench 3 и диоды CAL HD [6].

В модулях SKiM, рассчитанных на напряжение 1200 В, использованы новые разработки Infineon и SEMIKRON: чипы Trench IGBT и CAL HD 4-ого поколения [7]. Они отличаются пониженным уровнем утрат и расширенным температурным спектром (температура кристаллов Tjmax повышена до 175 °C), что позволило значительно повысить стойкость силовых ключей к перегрузочным режимам.

Главные технические свойства новых модулей серии SKiM приведены в таблице 2, а их внешний облик показан на рис. 8.

SKIM 63/93 – спец силовые модули для авто электроники
Таблица 2. Главные электронные свойства SKiM
SKIM 63/93 – спец силовые модули для авто электроники
Заключение

В конструкции частей новейшей серии SKiM воплотился 15-летний опыт производства модулей прижимающей конструкции на базе технологии SKiiP, разработанной компанией SEMIKRON. Благодаря отсутствию базисной несущей платы устраняется основная причина отказов силовых ключей, вызванных воздействием термомеханических стрессов. Сейчас модули IGBT, сделанные по прижимающей технологии SKiiP, употребляются в приводах 400 000 вильчатых погрузчиков и 1000 автобусов с гибридной силовой установкой.

Составляющие серии SKiM имеют сверхнизкое значение распределенной индуктивности соединительных шин (LCE < 10 нГн) и омического сопротивления силовых выводов (RCC’+EE’ ≤ 0,3 мΩ), что обеспечивает максимально малый уровень динамических и статических утрат. Они могут работать при температуре кристаллов до 175 °C и температуре среды до 135 °C, это дает возможность использовать силовые ключи данного типа в транспортных средствах с одноконтурной системой жидкостного остывания.

За счет внедрения технологии низкотемпературного спекания для установки силовых чипов удалось в 5 раз повысить стойкость к термоциклированию и исключить внедрение пайки. Применение новых производственных процессов позволяет фактически стопроцентно воплотить мощностные способности силовых кристаллов, что содействует увеличению экономической эффективности силовых ключей семейства SKiM.

Благодаря прижимающей конструкции, также использованию пружинных сигнальных выводов и новейших полимерных материалов для производства корпуса силовые ключи семейства SKiM удовлетворяют самым жестким транспортным требованиям по вибрационным и ударным воздействиям. Они являются более многообещающими компонентами для внедрения в тяговых приводах электро- и гибридомобилей наиблежайшего грядущего.