Рубрики
Технологии силовой электроники

Оптимизация черт силовых модулей для сложных критерий эксплуатации

Оптимизация черт силовых модулей для сложных критерий эксплуатации Андрей Колпаков При разработке специализированных силовых модулей для тс с электроприводам и гибридным электроприводом

Оптимизация черт силовых модулей для сложных критерий эксплуатации Андрей Колпаков

При разработке специализированных силовых модулей для тс с электроприводам и гибридным электроприводом (автомобилей, грузовиков, автобусов) нужно использовать уникальные технологии и инноваторские конструкторские решения. Противоречивые требования роста плотности мощности, расширения температурного спектра и, в то же время, увеличения надежности и понижения габаритов не могут быть удовлетворены только за счет правильного выбора полупроводниковых компонент. Для сотворения силового модуля, отвечающего современным запросам рынка, необходимы как оптимизация термических и электронных черт, так и внедрение принципно новых подходов к методам проектирования. Примером успешного решения, соответственного фактически всем обозначенным требованиям, стала новенькая серия силовых модулей SKiM 63/93 [1–5], разработанных компанией SEMIKRON специально для внедрения на электротранспорте. В предлагаемой вниманию читателей статье дискуссируются главные концепции и технологические приемы, применяемые при разработке силовых ключей для максимально томных критерий эксплуатации.

Семейство силовых ключей SKiM (Semikron Integrated Module) представляет собой новое поколение малогабаритных силовых модулей прижимающего типа без базисной платы (pressure-contact baseless module). В отличие от более всераспространенных стандартных силовых ключей с мощным медным (либо композитным) основанием, соединенным с глиняной изолирующей DBC-подложкой при помощи пайки, в силовых модулях прижимающего типа DBC-керамика имеет прямой контакт с теплоотводом. Особая прижимающая пластинка делает давление на подложку в зонах большего локального тепловыделения. Прижимающая конструкция обеспечивает равномерную передачу тепла на радиатор и исключает появление так именуемого биметаллического эффекта (имеется в виду обоюдный извив агрессивно связанных слоев меди и керамики, имеющих разные коэффициенты термического расширения — КТР).

Отсутствие базисной платы дает возможность во много раз повысить стойкость силовых ключей к термоциклированию и убрать основную причину отказов массивных силовых модулей — разрушение паяного соединения керамики и меди, вызванное термомеханическим напряжением из-за разности КТР. На рис. 1 показан внешний облик силового модуля SKiM и главные элементы его прижимающей конструкции, которая довольно тщательно рассмотрена в [1–5].

Оптимизация черт силовых модулей для сложных критерий эксплуатации

Силовые модули SKiM содержат три независящих полумостовых каскада, любой из которых имеет свои DC- и АС-терминалы, и датчик температуры с NTC-характеристикой. Для подключения платы управления к сигнальным выводам IGBT и термодатчику применены пружинные контакты, надежность которых доказана особыми испытаниями и долголетним опытом эксплуатации [8]. Схожий метод соединения силового модуля и драйвера увеличивает стойкость конструкции к механическим воздействиям и термоциклированию. Не считая того, так как окончания пружин подключаются к довольно огромным контактным площадкам на печатной плате, не требуется их четкого позиционирования, что значительно упрощает как ручную, так и автоматическую сборку.

Составляющие серии SKiM созданы для внедрения в электроприводах мощностью от 30 до 150 кВт зависимо от критерий эксплуатации и метода остывания. Главные свойства силовых модулей SKiM 63/93 в инверторном применении и надлежащие рабочие режимы приведены в таблице 1.

Таблица 1. Главные свойства силовых модулей SKiM 63/93
Оптимизация черт силовых модулей для сложных критерий эксплуатации

Один из самых увлекательных частей конструкции SKiM — это копланарная шина неизменного тока, внешний облик которой совместно с DBC-платой показан на рис. 1б и 2. Ее разработка осуществлялась на базе последующих требований:

  • низкая распределенная индуктивность и активное сопротивление;
  • симметричное и равномерное рассредотачивание токов меж параллельно соединенными чипами (IGBT, антипараллельные диоды);
  • очень вероятная плотность мощности;
  • возможность дополнительного отвода тепла от DBC-платы.

Оптимизация черт силовых модулей для сложных критерий эксплуатации
Оптимизация конструкции

Слои силовой шины SKiM изготовлены из штампованных медных листов, собираемых в плоско-параллельный «сэндвич». Любая из пластинок звена неизменного тока имеет на краях Г-образные окончания, нужные для подключения к омедненным контактным площадкам DBC-платы (рис. 2). Приобретенная сборка напрессовывается на керамику, таким макаром обеспечивается многоточечный доступ к чипам, позволяющий симметрично распределить ток. Прижимающая армированная пластинка в корпусе силового модуля делает равномерное придавливающее усилие, нужное для получения малого переходного сопротивления в зонах контакта.

Копланарное (плоско-параллельное) размещение слоев положительного и отрицательного терминалов в купе с личным доступом к каждому чипу позволяет получить максимально малый уровень суммарной распределенной индуктивности LCE. Значение LCE, измеренное меж крепежными отверстиями DC- и АС-выводов SKiM, не превосходит 10 нГн, а меж DC-терминалами — 20 нГн.

Моделирование рассредотачивания напряженности магнитного поля, проведенное способом конечных частей (FEM — Finite Element Method), указывает, что основная часть индуктивности шины появляется за счет токовой петли меж выводами ±DC в зоне, где нереально обеспечить их копланарное размещение (красноватая стрелка на рис. 3). Проведенная при помощи моделирования оптимизация звена неизменного тока и многоточечный доступ к выводам чипов позволили понизить суммарное значение LCE приблизительно на 30% (–10 нГн).

Оптимизация черт силовых модулей для сложных критерий эксплуатации

Достоинства силовых ключей с малым уровнем паразитной индуктивности явны: понижение LCE приводит к уменьшению выбросов напряжения при выключении, пропорциональных величине индуктивности и скорости спада тока ΔV = dI/dt — LCE. Силовые модули, имеющие малую паразитную индуктивность, владеют более высочайшей стойкостью к динамическим нагрузкам, включая режим недлинного замыкания (КЗ) и моментального выключения тока КЗ.

При параллельном соединении чипов IGBT очень принципиально обеспечить идентичность их работы в статических и динамических режимах и минимизировать уровень осцилляций при переключении. Для наибольшего использования блокирующего напряжения нужно свести к минимуму разницу переходных перенапряжений, возникающих на параллельно соединенных кристаллах. На рис. 4 показано рассредотачивание напряжений «коллектор–эмиттер» VCE, возникающих на чипах, расположенных в разных точках силового модуля: в его центре, рядом с АС- и DC-выводом. При выключении IGBT (ток IC = 400 А, напряжение DC-шины VCC = 700 В) со скоростью di/dt = 6600 А/мкс, разброс пиковых значений VCE находится в спектре от 929 до 936 В. Настолько низкая разница гласит о корректно избранной топологии соединений и идентичности импедансов параллельных токовых цепей.

Оптимизация черт силовых модулей для сложных критерий эксплуатации

Неизменное улучшение технологий силовых полупроводников, возникновение новых поколений IGBT сопровождается непрерывным повышением плотности мощности и понижением уровня статических и динамических утрат. Номинальный ток кристаллов IGBT (ICnom — параметр, нормируемый производителем чипов), примененных в силовых модулях SKiM 93 с рабочим напряжением 600 В, составляет 900 А. Разумеется, что предельные свойства силового модуля ограничены качествами конструктива, способностями системы остывания, допустимой токовой нагрузкой на терминалы. Дизайн звена неизменного тока SKiM, внедрение пакета широких и тонких медных пластинок позволяют фактически стопроцентно воплотить мощностные способности чипов. Сопротивление медных слоев не превосходит 60 мкОм, а суммарный импеданс DC-шины rcc-ee, включающий контактные переходные сопротивления, составляет около 0,3 мОм. Для сопоставления укажем, что у стандартного силового модуля IGBT (типоразмер 62 мм) rcc-ee = 1,2 мОм.

В инверторных схемах токовая нагрузка на вывод АС приблизительно в 2 раза выше, чем у DC-терминалов. Для улучшения отвода тепла слой АС в «сэндвиче» шины звена неизменного тока занимает нижнее положение. При температуре теплоотвода 70 °C допустимый ток силовой шины SKiM составляет 600 А для АС- и 425 А для DC-слоев, при всем этом температура терминалов в зоне их подключения к наружным цепям не превосходит 115 °C. Благодаря прямому многоточечному доступу к контактным поверхностям DBC-керамики удается отлично отводить на радиатор тепло, выделяемое элементами шины.

Инверторы на базе силовых модулей SKiM способны работать в электроприводах мощностью до 150 кВт с довольно огромным припасом по термическим режимам. Произнесенное, естественно, справедливо при условии корректного термического расчета и правильного выбора метода отвода тепла.

При увеличении тока растут утраты и тепловыделение полупроводниковых кристаллов, что в свою очередь также наращивает перегрев терминалов. Для исследования термических режимов работы частей шины с учетом мощности, рассеиваемой чипами, было проведено моделирование, результаты которого представлены на рис. 5. Анализ показал, что при наибольшей токовой нагрузке более нагретой областью DC-вывода является извив в области наружного подключения.

Оптимизация черт силовых модулей для сложных критерий эксплуатации
Топология соединений

Топология соединений DBC-подложки и положение на ней кристаллов IGBT и диодов оказывает существенное воздействие на динамические свойства и термическое сопротивление силовых модулей. Разумеется, что поведение главных частей сначала определяется их своими качествами, но необходимо подчеркнуть, что, к примеру, падение напряжения на паразитных индуктивностях линий связи оказывает влияние на скорость переключения и приводит к возникновению паразитных осцилляций меж параллельными чипами, даже при полной идентичности их характеристик.

Чтоб достигнуть наибольшей «синхронности» процесса коммутации и подавить паразитные колебания, параллельные цепи обязаны иметь максимально низкую и схожую индуктивность. Решающее значение для преодоления данной трудности имеет конфигурация соединительных шин на DBC-плате. На рис. 6а, б показаны пути прохождения тока меж чипами IGBT (2 в параллель) и диодов верхнего и нижнего плеча: такая топология, реализованная в силовых модулях SKiM, обеспечивает кратчайший и однообразный путь тока в обоих случаях.

Оптимизация черт силовых модулей для сложных критерий эксплуатации

На эпюрах, представленных на рис. 7, показан процесс выключения силового модуля SKiM 63 при напряжении DC-шины 900 В и токе коллектора 600 А. Динамические утраты, уровни перенапряжения и скорость конфигурации тока di/dt для транзисторов верхнего и нижнего плеча фактически схожи. Амплитуды выбросов напряжения при выключении отличаются менее, чем на 15 В (≈ 1,3%), что гласит о неплохом согласовании цепей переключения каскадов ТОР и ВОТ.

Оптимизация черт силовых модулей для сложных критерий эксплуатации

Для выравнивания динамических утрат у параллельно соединенных кристаллов IGBT должно быть обеспечено симметрирование токов в коммутационных режимах. Разброс характеристик самих полупроводников приводит к разнице утрат переключения, не превосходящей 10%. Это различие может неоднократно возрости при неудачной топологии соединений, отсутствии согласования токонесущих цепей. При разработке и оптимизации схемы коммутации нужно учесть два главных фактора, влияющих на данный процесс: наличие паразитных индуктивностей в полосы протекания тока меж (+) и (–) терминалами DC-шины, также смещение напряжения в цепях управления затвором, вызванное протеканием тока силового каскада.

Для решения первой трудности нужно свести к физическому минимуму индуктивность шины звена неизменного тока. Как было показано ранее, этого можно достигнуть при использовании копланарной DC-шины, имеющей наименьшую площадь так именуемой «токовой петли». На рис. 8а показана облегченная эквивалентная схема полумостового каскада, включающая паразитные индуктивности, расположенные по пути коммутации силовых токов. На рисунке видно, что меньшая из их находится в коллекторе IGBT, расположенном поближе всего к DC-терминалу ключа, а наибольшая — в коллекторе более удаленного от терминала ключа. Но если шина спроектирована корректно (другими словами имеет структуру «сэндвича»), то магнитное поле по длине шины (при протекании тока от DC+ к DC-) изменяется некординально. Индуктивности, выделенные голубым цветом, являются связанными, и их воздействием можно пренебречь, в итоге чего схема приобретает более обычный вид (рис. 8б). Направьте внимание на то, что в данном случае величины эквивалентных паразитных индуктивностей оказываются схожими для всех чипов IGBT. Благодаря этому удается минимизировать разницу уровней импульсных перенапряжений, возникающих при выключении параллельно соединенных транзисторов, что и подтверждают надлежащие измерения (рис. 7).

Оптимизация черт силовых модулей для сложных критерий эксплуатации

В решении 2-ой из упомянутых заморочек поможет эквивалентная схема (рис. 8в), на которой показаны пути токов, создающих смещение затворного напряжения VGE. При коммутации нужно обеспечить одинаковость и одновременность подачи управляющих сигналов на затворы параллельно соединенных IGBT. Напряжения, наведенные на паразитных индуктивностях дорожек DBC-платы, компенсируют друг дружку, так как находятся в противофазе (перечеркнутые зеленоватые стрелки на рис. 8в). Все же, сигнал управления затвором VGE транзистора Т2 понижается за счет инверсного напряжения, образующегося на распределенной индуктивности выводов чипа, но это понижение невелико и идиентично для всех параллельных чипов (красноватая и зеленоватая стрелки на рис. 8в). Тесты демонстрируют, что при верно избранной топологии соединений удается достигнуть фактически полной симметрии токов во всех динамических режимах, включая куцее замыкание и следующее отключение.

Термическое сопротивление силовых модулей

Уменьшение уровня утрат и расширение температурного спектра новых поколений полупроводников позволили значительно повысить плотность тока силовых модулей. Мощностные свойства кристаллов ограничены способностями отвода тепла, что в свою очередь конкретно связано с их размерами.

Термическое сопротивление является функцией активной площади чипа и почти во всем находится в зависимости от расстояния меж параллельно работающими кристаллами (рис. 9). Кристаллы огромных размеров имеют бульший градиент температуры по поверхности, от их труднее отвести тепло. Термические свойства улучшаются при использовании параллельного соединения некого количества маленьких чипов, разнесенных по поверхности изолирующей подложки. При схожей суммарной действенной площади кремния термическое сопротивление оказывается значительно ниже, а обоюдный нагрев кристаллов фактически отсутствует при расстоянии меж ними 3 мм и поболее.

Оптимизация черт силовых модулей для сложных критерий эксплуатации

Процесс распространения тепла и перегрев в разных зонах силового модуля показан на рис. 9. Большая температура наблюдается в центре чипа, она спадает к его краям в согласовании с графиком, приведенным на рис. 9б. Этот эффект в особенности ярко выражен при увеличении площади кремния: чем она больше, тем выше градиент температуры меж его центральной и последними областями. Таким макаром, при повторяющемся изменении мощности нагрузки сам кристалл подвергается термомеханическому стрессу, что безизбежно уменьшает срок его службы и оказывает влияние на надежность паяного слоя. Единственный метод понижения уровня термомеханического напряжения при одновременном уменьшении термического сопротивления «кристалл–подложка» — это подмена большого кристалла на параллельное соединение чипов наименьшей площади.

На рис. 9в представлены результаты термического моделирования 3-х вариантов конструкции силового модуля без базисной платы (разработка SKiiP) с общей площадью кремния 144 мм²: 1 большой кристалл 12 — 12 мм и 4 параллельных кристалла 6 — 6 мм с разным обоюдным расположением. Для всех 3-х случаев температура теплостока составляет 20 °С, а плотность мощности — 2 Вт/мм².

Графики, показанные на рис. 10, показывают понижение температуры чипов при изменении расстояния меж ними. Приведенные результаты справедливы как для силовых модулей прижимающей конструкции, так и для стандартных компонент. Температура полупроводников в силовых модулях с базисной платой при иных равных критериях оказывается выше, чем в силовых ключах прижимающего типа, что демонстрируют голубая и красноватая эпюры. На 1-ый взор это может показаться странноватым, ведь мощная базисная плата содействует наилучшему рассредотачиванию тепла в основании силового модуля. Разница разъясняется наличием так именуемого «биметаллического эффекта», обусловленного жестким соединением основания стандартного силового модуля с радиатором. Крепление на теплоотвод осуществляется на краях базисной платы, при появлении термомеханических напряжений это приводит к нарушению ее плоскостности, к извивам за счет термического расширения. Чтоб при всем этом исключить появление пустот в слое теплопроводящей пасты, наносимой на радиатор, толщина слоя должна быть более 50 мкм. Типовое значение толщины слоя для стандартных силовых модулей с базисной платой, обусловленное неоднородностью поверхности и возможностью биметаллического эффекта, находится в границах 80–100 мкм.

Оптимизация черт силовых модулей для сложных критерий эксплуатации

Необходимо подчеркнуть, что при использовании нескольких параллельных кристаллов пропадает некая часть их активной площади изза возникновения дополнительных краевых областей. Результатом уменьшения размера активной поверхности является увеличение уровня утрат при том же токе. При проектировании силовых модулей SKiM, в каких применены чипы площадью 60 и 80 мм² при расстоянии 3 мм, был найден успешный компромисс меж термическим сопротивлением и потерями. Прижимающая плата, обеспечивающая давление на поверхность DBC-платы в местах установки IGBT и диодов, предутверждает возможность извива и утраты термического контакта охлаждаемой поверхности силового модуля. Это позволяет использовать слой теплопроводящей пасты шириной всего 20–30 мкм.

Не считая того, заместо пайки для установки чипов на глиняную плату в силовых модулях SKiM употребляется так именуемая низкотемпературная разработка спекания порошкового серебра (Low Temperature Sintering Technology). Спеченный серебряный слой отличается еще более высочайшей теплопроводимостью и эластичностью, в итоге чего миниатюризируется уровень термомеханических стрессов, действующих на чипы при повторяющейся нагрузке. Часть тепла из зон установки кристаллов отводится через мощные и широкие слои силовой шины, по этому суммарное значение термического сопротивления удалось понизить еще на 5–10%.

Термическая защита силовых модулей

Для измерения температуры силовых модулей и их защиты от перегрева используются разные виды датчиков, более всераспространенные из которых — терморезисторы с отрицательным (NTC) и положительным (PTC) температурным коэффициентом.

Термодатчик устанавливается на глиняную подложку силового модуля рядом с силовыми кристаллами. Благодаря высочайшей теплопроводимости материалов керамики (оксида и нитрида алюминия), температура подложки и радиатора фактически совпадает.

Надежность работы схемы защиты от перегрева почти во всем находится в зависимости от положения детектора снутри силового модуля. Место измерения температуры играет в особенности важную роль в случае, когда пороговое значение задается интегрированной схемой управления. Для определения рационального положения термодатчика были проведены особые исследования; соответственная термическая модель DBC-платы силового модуля SKiM 6 показана на рис. 11 (в этом случае анализируется режим воздушного остывания).

Оптимизация черт силовых модулей для сложных критерий эксплуатации

Как было обозначено ранее, силовые модули SKiM не имеют базисной платы, их глиняная DBC-подложка устанавливается конкретно на радиатор. Уровень термический связи силовых чипов и датчика изменяется зависимо от его положения, при анализе рассматривались последующие варианты: А (детектор конкретно на кристалле IGBT), В и С (детектор в разных точках DBC-платы), D (детектор на поверхности радиатора). Для каждого варианта установки термическое сопротивление «кристалл–датчик» Rth (j-r) (конкретно этот параметр указывается в документации «безбазовых» силовых ключей) имеет различное значение.

В состоянии термического равновесия неопасный уровень срабатывания схемы защиты от перегрева может быть совершенно точно определен для хоть какого из рассматриваемых вариантов. Если, к примеру, температура кристалла Tj не должна превосходить 140 °C, то отключение силовых транзисторов следует создавать при температуре датчика 120 °C (вариант A), 110 °C (вариант B), 100 °C (вариант C) и 70 °C (вариант D).

Чем выше уровень термический связи меж источником тепла и детектором, тем ниже время реакции и меньше воздействие системы остывания на процесс мониторинга температуры, вот поэтому внедрение встроенных термодатчиков всегда лучше. В то же время при изменении хоть какого параметра системы остывания (материал и толщина основания радиатора, температура охлаждающей среды, толщина слоя теплопроводящей пасты и т. д.) приходится корректировать и пороговое значение температуры отключения. Это затрудняет верный выбор и настройку встроенной термический защиты в умственных силовых модулях. С данной точки зрения более желаемым является внедрение датчика температуры для мониторинга и формирования соответственного аналогового сигнала. Порог срабатывания схемы защиты в данном случае должен задаваться наружным контроллером зависимо от режима работы силового модуля и метода его остывания.

При неплохой термический связи меж источником тепла (силовыми кристаллами) и датчиком понижается воздействие системы остывания и соответственно упрощается настройка схемы термозащиты. При всем этом также упрощается организация защиты в динамических режимах при краткосрочных перегрузках.

Для того чтоб показать воздействие системы остывания на состояние термический системы, толщина слоя теплопроводящей пасты была увеличена с 50 до 100 мкм. Соответственное изменение термического сопротивления для разных вариантов установки датчика показано на рис. 12.

Оптимизация черт силовых модулей для сложных критерий эксплуатации

Детектор А имеет лучшую термическую связь с чипом, как следует, для этого варианта значение термического сопротивления «кристалл–датчик» Rth (j-r) должно быть более размеренным. Вправду, его повышение составило всего 3%, в то время как для вариантов В и С наблюдался рост Rth (j-r) на 7–8%. Для варианта D, при котором термическое сопротивление более всего находится в зависимости от характеристик системы остывания, повышение Rth превысило 25%.

Главным вопросом, который нужно разглядеть в данной связи, является возможность использования термодатчика для защиты силовых чипов от перегрева при резвом изменении температуры. Каждый вариант установки датчика характеризуется специфичной реакцией термический системы, которую идеальнее всего обрисовывать при помощи графиков динамического термического импеданса Zth (рис. 12). Сопоставление эпюр Zth (j-r) для различных вариантов размещения детектора указывает, что термическая пара «чип–радиатор» добивается установившегося состояния приблизительно за 1 с, в то время как системе «чип–датчик» требуется до 100 с. Предпосылкой этого является высочайшая теплоемкость радиатора и неспешное рассредотачивание тепла в его объеме (измерение температуры радиатора делается в его теле конкретно под чипом).

Для каждого типа силового полупроводника определяется величина мощности Ptot, которую он может рассеять в установившемся состоянии. При изменении мощности рассеяния (к примеру, с 50% до 200% Ptot) температура чипа будет повышаться с определенной неизменной времени. Датчик А зафиксирует данный порог (120 °С) через 0,19 с, обеспечивая надежную термическую защиту, а температура кристаллов ни при каких критериях не превзойдет предельного значения 150 °С.

При той же пороговой величине, определенной детекторами В и С, перегрев чипов может добиться критичных величин 160 °С и 170 °С, так как термическая константа для этих случаев растет до 0,3 и 0,4 с соответственно. Задержка при использовании варианта D будет уже более 1 с, как следует, он наименее всего подходящ для защиты силовых ключей от перегрева. Таким макаром, для устройств, работающих с большенными коэффициентами перегрузки и при низких исходных температурах, внедрение стандартных термосенсоров в схемах защиты от перегрева не может стопроцентно гарантировать предотвращения перегрева кристаллов.

Анализ главных особенностей термических систем, отличающихся разным положением датчика температуры, приведен в таблице 2. Более желаемым считается вариант В, обеспечивающий сравнимо маленькое время реакции и гальваническую изоляцию.

Таблица 2. Свойства термических систем при разных вариантах положения термодатчика
Оптимизация черт силовых модулей для сложных критерий эксплуатации

Надежная защита от краткосрочных термических перегрузок — непростая задачка. Ее нереально решить методом ограничения тока, так как краткосрочные токовые перегрузки в границах области неопасной работы допустимы. В то же время работа при больших значениях тока безизбежно ведет к увеличению температуры полупроводниковых чипов. Как было показано ранее, высочайшее время реакции термодатчиков не позволяет организовать полностью неопасную защиту от перегрева.

Решение трудности — в одновременном использовании сигналов токовых и термических детекторов и организации защиты по определенному методу, исключающему критичные перегрузки, как по току, так и по теплу. Такую возможность предоставляют IPM высочайшей степени интеграции, к которым относятся силовые модули SKiiP, имеющие широкие способности мониторинга режимов. Управляющий контроллер может вычислять реальную температуру чипа Tj на основании сигналов, получаемых с датчиков, и анализа рабочих режимов схемы. Зависимость Tj от времени tp определяется в согласовании с выражением:

Оптимизация черт силовых модулей для сложных критерий эксплуатации

где Po — мощность рассеивания при t = 0; Pover — мощность рассеивания в режиме перегрузки; Zth (j–r) — динамический термический импеданс (его зависимость от tp всегда приводится в технических свойствах); Tr — температура датчика (доступна в виде аналогового сигнала на разъеме Х1 силового модуля SKiiP).

Разработка корпусирования и надежность

Высочайшие требования по стойкости к термоциклированию, соответствующие для транспортных применений, затрудняют внедрение обычных конструкций силовых ключей с медной базисной платой. Различие коэффициентов термического расширения (КТР, либо CTE — Coefficient of Thermal Expansion) приводит к высочайшим термомеханическим напряжениям, разрушающим соединения конструктивных частей. Сначала эта неувязка касается паяного слоя большой площади меж медным основанием силового модуля и глиняной DBC-платой. Одним из вероятных вариантов преодоления трудности является подмена меди на композитный материал (к примеру AlSiC), отлично согласованный с керамикой по КТР. Но это решение нельзя признать хорошим из-за высочайшей цены и худшей теплопроводимости композитов. Не считая того, применение AlSiC в качестве базисной платы позволяет повысить только устойчивость силовых ключей к воздействию пассивных термоциклов, другими словами конфигураций температуры среды.

Компания SEMIKRON рассматривает внедрение своей прижимающей технологии SKiiP, исключающей применение базисной платы, в качестве рационального решения трудности увеличения стойкости как к пассивным, так и активным термоциклам. Вот поэтому «безбазовая» структура была применена при проектировании серии силовых модулей SKiM. Достоинством прижимающей конструкции является также низкое значение термического сопротивления и равномерная передача тепла на радиатор, которая достигается при помощи специальной пластинки, осуществляющей давление на DBC-керамику в местах установки чипов IGBT и диодов. Благодаря этому при повторяющемся изменении нагрузки значительно понижаются колебания температуры чипов по сопоставлению с градиентами, которым подвергаются кристаллы в стандартных силовых модулях.

Для установки чипов на глиняную плату в силовых модулях SKiM использована разработка низкотемпературного спекания [6], позволившая убрать вторую по интенсивности отказов делему, связанную с разрушением паяного соединения силовых кристаллов. По термическому расширению кремний согласован с керамикой лучше, чем медь, но усталостные процессы, вызванные термомеханическими напряжениями и накапливающиеся в паяном слое, — это главные предпосылки выходов из строя силовых модулей семейства SKiiP. Спеченный серебряный нано-порошок, применяемый для соединения чипов в компонентах серии SKiM, имеет еще более высшую температуру плавления (960 °С), также упругость и теплопроводимость.

Тесты демонстрируют, что благодаря применению технологии спекания стойкость SKiM к термоциклированию неоднократно растет. Это подтверждают графики, приведенные на рис. 13а: при градиенте температуры dT = 110 °C после 25 000 циклов не происходит повышение температуры спеченного чипа и его термического сопротивления, в то время как у паяного кристалла значение Rthjc растет более чем на 30%. Стоит отметить также отсутствие лакун, наилучшую равномерность и наименьшую пористость спеченного соединения. Это видно на фото, приобретенных при помощи сканирующего микроскопа (рис. 13б).

Оптимизация черт силовых модулей для сложных критерий эксплуатации
Улучшение технологий IGBT и диодов

Силовые ключи, созданные для работы в сложных погодных критериях, могут обеспечить требуемый уровень надежности только при использовании чипов с расширенным температурным спектром. Такими качествами владеют чипы нового поколения, производимые по технологии Trench FS (Field Stop) IGBT4 (Infineon), и разработанные SEMIKRON диоды серии CAL 4 [7].

Кристаллы IGBT4 сделаны на базе Trench-технологии 3-го поколения, которая применяется при производстве силовых модулей SEMIKRON 066, 126 и 176-й серий с рабочим напряжением 600, 1200 и 1700 В соответственно. Эти составляющие отличаются неплохими чертами проводимости: напряжение насыщения VCEsat силовых модулей 126-й серии при номинальном токе и температуре 25 °С не превосходит 1,7 В, для компонент 066-й серии VCEsat = 1,45 В. Но уровень динамических утрат у их довольно высок, и в режиме «жесткой коммутации» применение ключей данного типа на частотах выше 5–7 кГц нецелесообразно.

В итоге модернизации Trench-технологии удалось понизить суммарное значение утрат в широком спектре частот и обеспечить более плавный нрав переключения. При всем этом новые чипы занимают наименьшую площадь, при их производстве требуется меньше кремния, что содействует увеличению выхода пригодных и понижению себестоимости продукции.

Более принципиальным достижением является повышение допустимой рабочей температуры Tjmax кристаллов со 150 до 175 °C. Благодаря этому применение последнего поколения силовых модулей IGBT позволяет прирастить припас по перегрузке в динамических режимах и повысить надежность работы преобразователей.

Для того чтоб модернизированные кристаллы IGBT более много показали свои достоинства, их нужно использовать с антипараллельными диодиками, согласованными с ними по плотности мощности, статическим и динамическим чертам. Для решения этой задачки компания SEMIKRON сделала 4-ое поколение стремительных диодов на базе своей технологии CAL (Controlled Axial Lifetime), главные отличия которой — плавный нрав переключения во всем спектре рабочих токов, высочайший иммунитет к dI/dt и малый ток оборотного восстановления.

Усовершенствование структуры кристаллов позволило на 30% повысить допустимое значение плотности тока, при всем этом утраты переключения остались на уровне, достигнутом в диодиках предшествующей генерации CAL3. Внедрение нового метода пассивации DLC (Diamond Like Carbon) отдало возможность прирастить значение предельной рабочей температуры чипов до 175 °С и достигнуть лучшего согласования характеристик диодов CAL4 с чертами IGBT Trench 4. Надежность работы новых силовых модулей IGBT в расширенном температурном спектре доказана особыми испытаниями, которые содержат в себе проверку тока утечки затвора и тока оборотного смещения «коллектор–эмиттер», проведенную при предельной температуре (HTRB), также предельной температуре и влажности (ТНВ).

Сравнительные свойства 3-х типов IGBT с рабочим напряжением 1200 В (NPT IGBT с гомогенной структурой, Trench IGBT третьего и 4-ого поколения) показаны в таблице 3.

Таблица 3. Сравнительные свойства IGBT разных поколений (рабочее напряжение 1200 В)
Оптимизация черт силовых модулей для сложных критерий эксплуатации
Заключение

В статье описаны главные особенности силовых ключей, созданных для томных критерий внедрения, на примере разработанных компанией SEMIKON силовых модулей SKiM. В конструкции этих частей воплотились новые технологии и методы проектирования, многие из которых были применены в первый раз. В силовых модулях SKiM стопроцентно исключены паяные соединения, а термический и электронный контакт всех узлов, включая сигнальные соединения, обеспечивается только за счет прижима. Для установки чипов на изолирующую DBC-подложку использована новая разработка низкотемпературного спекания.

Все произнесенное позволило значительно сделать лучше основную характеристику силовых модулей, созданных для транспортных применений, — стойкость к активному и пассивному термоциклированию. Прижимающая разработка сборки в сочетании со сверхнизкоиндуктивной DC-шиной, имеющей многоточечный доступ к силовым кристаллам, обеспечили существенное понижение термического сопротивления и симметричное рассредотачивание статических и динамических токов в параллельных чипах. Инноваторская конструкция силовых модулей SKiM, применение в их кристаллов IGBT и диодов 4-го поколения с расширенным температурным спектром и высочайшей стойкостью к перегрузкам позволяют удачно использовать данные составляющие в транспортных электроприводах и других применениях, отличающихся завышенными требованиями к надежности.