Рубрики
Технологии силовой электроники

Современные интегральные силовые модули DIP-IPM компаний Митсубиши и Powerex

Современные интегральные силовые модули DIP-IPM компаний Митсубиши и Powerex Юрий Петропавловский Одной из тенденций развития многих приложений силовой электроники в ближайшее время

Современные интегральные силовые модули DIP-IPM компаний Митсубиши и Powerex Юрий Петропавловский

Одной из тенденций развития многих приложений силовой электроники в ближайшее время является ориентация на внедрение специализированных силовых модулей заместо дискретных полупроводниковых устройств. Силовые модули выпускают многие ведущие производители силовых полупроводниковых устройств, в том числе подразделение Митсубиши Electric Semiconductors, входящее в состав одноименного концерна.

Современные интегральные силовые модули DIP-IPM компаний Митсубиши и Powerex

Концерн (либо группа) Митсубиши — один из огромнейших производственных конгломератов Стране восходящего солнца (keiretzu), оказавший большущее воздействие на развитие экономики страны. История Митсубиши началась с основания в 1873 году судоходной компании Митсубиши Shokai, обладателем компании был бизнесмен Ятаро Ивасаки (1834-1885 гг.).

Развиваясь, Митсубиши перевоплотился в гигантскую фирму, принадлежавшую семье Ивасаки прямо до окончания 2-ой мировой войны. В 1946 г. компания была реорганизована, заместо нее образовались 44 независящие компании, из их 20 носят имя Митсубиши, в том числе и Митсубиши Electric. В текущее время число коммерческих организаций под торговой маркой Митсубиши по всему миру составляет более 400 [1, 2].

Митсубиши Electric Corporation (MELCO, «Мицубиси Дэнки Кабусики Кайся», компания «Мицубиси Электрик») базирована 15 января 1921 г. Ее штаб-квартира находится в токийском деловом районе Маруноучи (Marunouchi). Консолидированный объем продаж компании — $37,4 миллиардов, численность персонала — 106 931 человек (по состоянию на 31 марта 2009 г.). Президент и главный исполнительный директор — Сэцухиро Симомура (Setsuhiro Shimomura) [3, 14].

Консульства MELCO базируются более чем в 40 странах мира, в сферу деятельности евро подразделения Митсубиши Electric Europe B.V. (Нидерланды) заходит и Наша родина [4]. Продукция Митсубиши Electric известна в СССР еще с 1970-х годов, когда в нашу страну осуществлялись поставки промышленного оборудования и производственных линий. В декабре 1997 года было открыто консульство ЗАО «Мицубиси Электрик Юроп Б. В.» в Москве, в 2004 году — в Екатеринбурге, в 2008-м — в Санкт-Петербурге: деятельность этого подразделения ориентирована на активизацию продвижения продукции компании в Северо-Западном регионе страны. Компания предлагает к поставке системы кондиционирования, промышленную автоматику, силовые полупроводники, мультимедийные проекторы, проекционные кубы, домашние кинозалы, фотосистемы, системы безопасности и мед оборудование [5].

Митсубиши Electric имеет долю в акционерном капитале компании Powerex Inc. (г. Юнгвуд, Пенсильвания, США). Powerex Inc. базирована в 1986 г. в итоге слияния отделений силовых полупроводниковых устройств компаний General Electric Company и Westinghouse Electric Corporation. В 1994 году Westinghouse продала свои акции General Electric и Митсубиши Electric. Номенклатура силовых полупроводниковых устройств Powerex почти во всем совпадает с номенклатурой Митсубиши Electric.

«Мицубиси Электрик» выпускает широкую номенклатуру силовых полупроводниковых устройств. В каталоге компании 2009 года элементы силовой электроники сгруппированы в категориях Power Modules — силовые модули, High Power Devices — массивные полупроводниковые приборы. Выпускаются силовые модули последующих классов: IGBT-модули (83 наименования); Intelligent Power Modules — умственные силовые модули (137 наименований); DIP-IPM — умственные силовые модули в интегральном выполнении (в DIP-корпусах, 52 наименования); Power MOSFET Modules — силовые модули на полевых транзисторах; Thyristor Modules — тиристорные модули; Diode Modules — диодные модули, общее число наименований модулей исчисляется несколькими сотками [6].

Силовые модули MELCO созданы для внедрения в источниках бесперебойного питания; CVCF/VVVF-инверторах; индукционных нагревателях (Induction Heater); импульсных источниках питания (SMPS); сварочных выпрямителях (Welder); оборудовании для резки (Cutter) и электроэрозионной обработки металлов (Electrical Discharge Machine); мед аппаратуре; блоках питания тяговых движков; электроприводе движков; кондюках и сплит-системах; подъемниках и лифтах. На рис. 2 приведены некие варианты схем внедрения силовых модулей: VVVF-инверторы с ШИМ, и АИМ, управлением для привода движков переменного тока; CVCF-инверторы для источников бесперебойного питания (ИБП); драйвер движков неизменного тока; тормозной чоппер для управления движками неизменного тока (DC Chopper).

Современные интегральные силовые модули DIP-IPM компаний Митсубиши и Powerex

Более широкая номенклатура силовых полупроводниковых устройств компании сосредоточена в категориях IGBT-модулей, умственных силовых модулей (IPM), в том числе в интегральном выполнении DIP-IPM. IPM MELCO обеспечивают управление токами в спектре порядка 50-800 А при напряжении 600-1200 В, модули DIP-IPM версий 3; 3,5; 4 — в спектре 3-50 А при напряжении до 600 В, версии 1200V — до 1200 В. Умственные силовые модули (в том числе модули DIP-IPM) представляют собой полупроводниковые приборы, в состав которых входят силовые IGBT, схемы управления и разные устройства защиты [7, 8]. Модули DIP-IPM обширно используются в кондюках, сплит-системах, холодильниках, стиральных машинах разных производителей, их с фуррором можно использовать и для разных промышленных приложений. В таблице 1 приведены классификационные характеристики модулей DIP-IPM компании серий (версий) Ver. 3; Ver. 3,5; Ver. 4 (рис. 3) и Ver. 1200V из каталога компании по состоянию на лето 2009 г. (модули других серий в текущий каталог не включены и тут не рассматриваются).

Современные интегральные силовые модули DIP-IPM компаний Митсубиши и Powerex Современные интегральные силовые модули DIP-IPM компаний Митсубиши и Powerex

Современные интегральные силовые модули DIP-IPM компаний Митсубиши и Powerex

Основное предназначение модулей DIP-IPM серии Ver. 3 — электропривод трехфазных движков переменного тока малой и средней мощности по методу VVVF (Variable Voltage Variable Frequency): управление с изменяющимися напряжением и частотой. Модули серии могут управлять движками с номинальной мощностью 0,2 кВт (PS21562); 0,4 кВт (PS21563); 0,75 кВт (PS21564); 1,5 кВт (PS21865, в каталоге 2009 г. отсутствует); 2,2 кВт (PS21867, также отсутствует); 3,7 кВт (PS21869), эти движки рассчитаны на номинальное напряжение 100-200 В переменного тока. Модули PS21562/3/4 выпускаются в компактных корпусах Mini DIP, PS21865/7/9 — в корпусах DIP-IPM (рис. 4) [9]. В каталоге Powerex 2009 г. имеются модули PS21869-P/AP (корпус DIP) [10]. Модули DIP-IPM серии Ver. 3.5 выпускаются в измененном DIP-корпусе (DIP-2 по систематизации Powerex), по электронным характеристикам они относятся к модулям серии Ver. 3. Модули PS21265P (AP), PS21267-P (AP) выпускает и компания Powerex.

Современные интегральные силовые модули DIP-IPM компаний Митсубиши и Powerex

Модули DIP-IPM серии Ver. 3 характеризуются последующими особенностями (Product Feature):

  1. В модулях применены интегральные IGBT-инверторы с 3-фазным выходом переменного тока. Модули с выходным током 3-30 А основаны на планарных IGBT 5-го поколения (The 5th generation planar IGBT). В модулях с выходным током 50 А использованы кристаллы со структурой CSTBT (Carrier Stored Trench-gate Bipolar Transistor), от «обычного» Trench IGBT этот транзистор отличается наличием в структуре кристалла дополнительного слоя под заглавием Carried stored layer — барьерный слой для скопления зарядов. В итоге появляется так именуемый эффект аккумуляции носителей, что содействует понижению прямого падения напряжения UHaC Более тщательно устройство CSTBT-приборов рассмотрено в [11]. CSTBT является зарегистрированной торговой маркой компании Митсубиши Electric Corporation.

  2. Топология модулей предугадывает внедрение 1-го источника для питания схем управления HVIC (bootstrap circuit scheme).

  3. В состав модулей включены схемы управления и защиты:

    • в верхних плечах — схема защиты от пониженного напряжения UV (Under-Voltage) без вывода сигнала срабатывания защиты (fault signal);
    • в нижних плечах—схемы защиты от маленьких замьгканий SC (Short-Circuit) и от пониженного напряжения UV с выводом сигнала срабатывания защиты.
  4. Управление модулями может осуществляться конкретно от процессоров систем управления без использования оптических либо трансформаторных развязок.

  5. Уровни входных логических сигналов — 3 либо 5 В, обеспечивается КМОП/ТТЛ-совместимость.

  6. Структура модулей серии Ver. 3 в корпусе DIP приведена на рис. 5 (кроме SP-исполнений).

Современные интегральные силовые модули DIP-IPM компаний Митсубиши и Powerex

В состав модулей входят схемы управления верхними ключами HVIC1-HVIC3, схема управления нижними ключами LVIC, главные IGBT1-IGBT6 и антипараллельные диоды D1-D6. Разглядим особенности модулей DIP-IPM Ver. 3 на примере самых массивных из их — PS21869-P/AP. Главные характеристики устройств:

  • Vcc (очень допустимое напряжение питания) — 450 В (измеряется меж выводами Р и N), рекомендуемое рабочее напряжение 300 В.

  • Viso (напряжение изоляции) — 2500 В (измеряется меж выводами и пластинкой те-плоотвода (Heat-sink plate).

  • Icp (пиковый ток коллекторов IGBT) — 100 А (tUMn менее 1 мс).

  • Io (наибольшее действующее значение выходного тока) — 3,5 А при Vcc = 300 B, Vd = Vdb = 15 B, P.F = 0,8, fШим = 5 кГц, T = 125 °C (P.F — коэффициент использования мощности), при fШим = 15 кГц, I0 = 13,8 A.

  • Рс (наибольшая мощность рассеяния каждого IGBT) — 70,4 Вт.

  • VD, VDB (очень допустимое напряжение питания) — 20В (VD измеряется меж выводами Vp1-Vpc, VN1-VNC, VDB — меж выводами Vufb-Vufs, Vvfb-Vvfs, Vwfb-VWFS), рекомендуемые напряжения — 15 В.

  • Vce (UHac, падение напряжения на открытых IGBT, типовое значение) — 1,5 В при 1к = 50 А, Твыв = 25 °С, наибольшее значение 2,1 В при 1к = 50 А, Твыв = 125 °С.

  • Vec (падение напряжения на антипараллельных диодиках, типовое значение) — 1,7 В (-Iк = 50 А, Твыв = 25 °С).

  • Временные характеристики переключения (рис. 6): ton = 1,3 мкс, trr = 0,3 мкс, tc(on) = 0,4 мкс, tof = 2 мкс, tc = 0,65 мкс (приведены типовые значения при Vcc = 300 В, VD = VDB = 15 B, Ik = 50 А, Тш = 125 °С).

  • Современные интегральные силовые модули DIP-IPM компаний Митсубиши и Powerex

  • fMaKC (наибольшая частота следования входных ШИМ-импульсов) — 20 кГц, рекомендуемый спектр частот ШИМ-импульсов — 5-15 кГц, малая продолжительность импульсов — 3 мкс. Надлежащие характеристики других модулей приведены в таблице 2, ток Io модулей PS22052/053/054/056 измерен на частоте входных ШИМ-сигналов 15 кГц, других — 5 кГц (характеристики из листов данных Митсубиши Electric 2005-2008 гг.).

  • Схема включения модулей в корпусах DIP без использования оптических развязок меж схемой управления и модулем, рекомендуемая изготовителем, приведена на рис. 7.

    Современные интегральные силовые модули DIP-IPM компаний Митсубиши и Powerex

    В таком включении корпусная шина схемы не обязана иметь соединения с общим корпусом агрегата, в который она устанавливается. При конструировании печатной платы блока управления следует подразумевать последующее:

    1. Во избежание самовозбуждения схемы длина печатных проводников, присоединенных к входам модуля (выводы Up, Vp, Wp, Un, Vn, Wn), должна быть как можно короче.

    2. Сигнал срабатывания защиты (fault signal) подается с каскада с открытым стоком, потому вывод Fo модуля нужно соединить с цепью питания +5 В через резистор R2 (10 кОм). Продолжительность импульсов на выводе Fo определяется величиной емкости конденсатора С4, при емкости 0,022 мкФ продолжительность импульсов — ≈ 1,8 мс.

    3. Для предотвращения сбоев в работе схем защиты длина цепей (печатных проводников) на участках А, В, С должна быть мало вероятной.

    4. Постоянную времени R1C5 желательно выбирать в границах 1,5-2 мкс.

    5. Конденсаторы С2, С3 схемы следует располагать поблизости соответственных выводов модуля, это относится и к демпферному конденсатору C6, его емкость выбирают в спектре 0,1-0,22 мкФ, емкости глиняних конденсаторов С2, С3 выбираются в границах 0,22-2,0 мкФ.

    6. Для защиты от перенапряжений (surge destruction) в цепях питания лучше установить стабилитроны D1 на напряжение 24 В (1 Вт).

    7. Индуктивность цепи меж выводом N модуля и шунтирующим резистором (Shunt Resistor) не должна превосходить 10 нГн, что эквивалентно индуктивности проводника из меди шириной 3 мм, шириной 100 мкм и длиной 17 мм. Сопротивление шунтирующего резистора определяется величиной данного тока недлинного замыкания определенных типов модулей, методика расчета приведена в [9].

    8. Характеристики «бутстрепных» частей схем Rb, Db, C1 рассчитываются для определенных модулей и избранных режимов работы по методике, приведенной в [9].

    Модули DIP-IPM серии Ver. 4 (PS2196x-4/-T)выпускаются в компактных корпусах Super Mini DIP, напряжение изоляции модулей — 1500 В [12]. Модули созданы для управления движками переменного тока, рассчитанными на напряжение 100-200 В, со последующими номинальными мощностями (Motor Rating):

  • 0,2 кВт — PS21961-4/-4A/-4C/-4S/-4W, PS21961-T/-AT/-CT/-TW/-ST;

  • 0,4 кВт — PS21962-4/-4A/-4C/-4S/-4W, PS21962-T/-AT/-CT/-TW/-ST;

  • 0,75 кВт — PS21963-4E/-4AE/-4CE/-4ES/-4EW, PS21963-4/-4A/-4C/-4S/-4W, PS21964-4/-4A/-4C/-4S/-4W, PS21963-T/-AT/-CT/-TW/-ST, PS21964-T/-AT/-CT/-TW/-ST;

  • 1,5 кВт — PS21965-4/-4A/-4C/-4S/-4W, PS21965-T/-AT/-CT/-TW/-ST.

  • Суффиксы в наименованиях модулей означают: А — удлиненные выводы; С, W — извилистые выводы; Т — наличие схемы температурной защиты; S — эмиттеры нижних IGBT выведены на отдельные выводы модулей. В сопоставлении с устройствами серии Ver. 3 модули серии Ver. 4 имеют последующие особенности:

  • Применена одна микросхема HVIC (заместо 3-х).

  • С целью уменьшения термического сопротивления использован новый изоляционный материал и поболее тонкие кристаллы IGBT.

  • В модулях PS21965, PS21993, PS21994, PS21997 использованы IGBT со структурой CSTBT, в других (не считая PS21961) — IGBT 5-го поколения.

  • В модулях PS21961 применены IGBT, владеющие оборотной проводимостью, что достигнуто за счет встраивания в их антипараллельных диодов.

  • Современные интегральные силовые модули DIP-IPM компаний Митсубиши и Powerex

    Такие структуры получили наименование RC-IGBT (Reverse Conducting IGBT) [8, 11]. Структура модулей приведена на рис. 8 (кроме S-исполнений), внешний облик— на рис. 3, характеристики — в таблицах 1, 2. Перечислим предназначения главных выводов модулей:

  • Vufb, Vyfb, Vwfb — напряжения питания HVIC;
  • Up, Vp, Wp — входы управления HVIC;
  • Vn1 — напряжение питания LVIC;
  • Un, Vn, Wn — входы управления LVIC;
  • CIN — вход контроля выходного тока;
  • N — силовой корпус;
  • Vnc — корпус LVIC;
  • W, V, U — силовые выходы;
  • P — напряжение питания IGBT.
  • Все модули серии Ver. 4 обустроены встроенными схемами защиты от пониженного напряжения (UV) и от недлинного замыкания (SC), а Т-исполнения (буковка Т в суффиксах либо окончаниях наименований модулей) — и от превышения максимально допустимой температуры (OT). Сигналы срабатывания схем защиты (fault signals) можно держать под контролем на соответственных выводах модулей, особенности функционирования схем защиты приведены в [12].

    Модули серии V1200 созданы для электропривода 3-фазных движков переменного тока с номинальным напряжением 400 В и номинальной мощностью 0,4-5,5 кВт. Приведенные в таблице 1 модули этой серии разработаны в 2005 г., но в каталоге MELCO они позиционируются в категории новинок. Предположительно, возросший спрос на высоковольтные модули вызван возрастающим применением более эконом (и высоковольтных) движков в бытовой технике и промышленных приложениях. В 2008 году компания анонсировала новые типы модулей в серии 1200V — PS22A72, PS22A73, PS22A74, PS22A76, PS22A78-E [13] — под логотипом 1200V DIP-IPM. В таблице 3 приведены главные характеристики модулей Intellimod Module из каталога Powerex, не включенные в таблицу 1 (в каталоге Powerex имеются фактически все типы модулей из таблицы 1). Структура модулей этой серии соответствует той, что показана на рис. 5. Модули выпускаются в корпусах DIP (42 вывода).

    Современные интегральные силовые модули DIP-IPM компаний Митсубиши и Powerex

    Наибольшее действующее значение тока Io в индуктивной нагрузке (обмотки движков) находится в зависимости от различных причин, в том числе и от частоты управляющих ШИМ-импульсов, избираемой разработчиками систем питания на базе рассматриваемых модулей. На рис. 9 приведены зависимости Io от частоты ШИМ-импульсов модулей серии Ver. 3 (в том числе PS21865, PS21867, не представленных в таблицах 1, 3). Свойства для модулей с типовыми параметрами сняты при Vcc = 300 B, Vd = Vdb = 15 B, T = 125 °C, P.F = 0,8, частота модуляции ШИМ-сигналов — 60 Гц. На рис. 10 приведены такие же свойства для модулей серии Ver. 4.

    Современные интегральные силовые модули DIP-IPM компаний Митсубиши и Powerex Современные интегральные силовые модули DIP-IPM компаний Митсубиши и Powerex

    Напряжение насыщения Vce IGBT и падение напряжения на антипараллельных диодиках Vec модулей значительно находится в зависимости от величины выходного тока Ic Для примера на рис. 11 показана типовая зависимость Vce от Ic и Vec от -Ic модулей PS22A78-E при различной температуре выводов Tj.

    Современные интегральные силовые модули DIP-IPM компаний Митсубиши и Powerex

    Использованные определения и сокращения:

    CVCF inverter (Constant Voltage Constant Frequency Power Supply) — преобразователь неизменного напряжения в переменное с неизменной частотой).

    Fault (signal, out, circuit) — сигнал, выход устройства, цепь/схема индикации отказов либо срабатывания схем защиты разных электрических устройств.

    HVIC (High Voltage Integral circuit) — схема управления верхними ключами мостовых схем.

    LVIC (Low Voltage Integral circuit) — схема управления нижними ключами мостовых схем.

    OT (Over Temperature) — схема защиты от перегрева микросхем, устройств и т. д.

    OV/UV (Over/Under Voltage) — схема защиты от перенапряжений/пониженного напряжения.

    SC (Short Circuit) — схема защиты от маленьких замыканий.