Рубрики
Силовые разъемы

EconoPACK 4 — новое поколение надежных силовых модулей

EconoPACK 4 — новое поколение надежных силовых модулей Вильгельм Руше (Wilhelm Rusche) Перевод: Алексей Семенкович Надежность и энергетическая эффективность — вот два основных требования

EconoPACK 4 — новое поколение надежных силовых модулей Вильгельм Руше (Wilhelm Rusche) Перевод: Алексей Семенкович

Надежность и энергетическая эффективность — вот два основных требования к современным инверторам. Отличительные свойства новейшей серии модулей «Infineon» EconoPACK 4 — крепкая конструкция и новенькая энергетически действенная разработка IGBT4 с оборотными диодиками 4-го поколения.

Cиловая электроника, использующая новые полупроводниковые технологии, находит все более обширное применение в разных областях индустрии и народного хозяйства. К примеру, полупроводниковые устройства употребляются для получения энергии от возобновляемых источников. На их базе выполняются более совершенные системы автоматизации. Благодаря достижениям силовой электроники они становятся более действенными, бесшумными, легкими и малогабаритными. К силовым модулям, применяемым в таких системах, предъявляются завышенные требования — высочайшая надежность, крепкость и повышение срока эксплуатации.

Крепкость и надежность в критериях вибрации все почаще играют важную роль не только лишь для тяговых, да и для стандартных промышленных приводов. При разработке новейшей продукции проектировщики силовых модулей должны непременно учесть такое ужесточение требований.

Сначала 2000 г. устройством EconoPACK был установлен новый эталон для систем мощностью выше 75 кВт, что позволило инженерам-проектировщикам создавать малогабаритные инверторы (рис. 1).

Беря во внимание фуррор модулей серии Econo, также более жесткие требования, которые стали предъявляться к таким системам, компания Infineon разработала новый силовой модуль EconoPACK 4 с номинальной мощностью от 22 до 75 кВт (рис. 2).

EconoPACK 4 — новое поколение надежных силовых модулей EconoPACK 4 — новое поколение надежных силовых модулей

EconoPACK 4 — новый эталон корпусирования

EconoPACK 4 представляет собой модуль из 6 IGBT с NTC-резистором для измерения температуры. Его конструкция, основанная на обширно известном принципе корпусирования Econo, характеризуется плоской геометрией. Из-за более высочайшей по сопоставлению с модулями EconoPACK и EconoPIM номинальной мощностью, в качестве главных тут используются винтообразные выводы. Так же как и в устройствах Infineon EconoPACK+, в этих силовых выводах реализована так именуемая «проточная» концепция (flow through). На одной стороне модуля имеются винтообразные выводы для подключения к источнику неизменного тока, а на обратной — винтообразные выводы для подключения к выходной цепи переменного тока.

Высота модуля (17 мм) позволяет существенно уменьшить занимаемый объем, при всем этом процедура его монтажа остается очень обычный. В итоге выходит относительно тонкий инвертор. Драйвер затвора располагается сверху модуля, что позволяет улучшить его подключенние. Инноваторская конструкция обеспечивает предстоящее понижение цены инверторной системы за счет использования надежного, не требующего пайки прижимающего контакта по PressFIT-технологии для подключения устройства управления (драйвера). В процессе монтажа управляющие выводы запрессовываются в плату драйвера с определенным усилием, при всем этом создается газонепроницаемое соединение. Не считая того, контакты PressFIT в случае необходимости допускают пайку. Силовые и вспомогательные выводы снутри модуля соединяются с DCB способом ультразвуковой сварки металлов.

Модуль Infineon IGBT4-T4 с оборотным диодиком 4-го поколения

Кристаллы (чипы) IGBT4-T4, применяемые в модуле EconoPACK 4, благодаря высочайшей скорости переключения обеспечивают понижение коммутационных утрат на 20% по сопоставлению с IGBT3-T3 предшествующего (третьего) поколения. Это позволяет повысить КПД силовых модулей.

Понижение утрат — это не единственная задачка. Принципиальное значение имеют также дополнительные коммутационные свойства самого модуля. Для этого были оптимизированы разные поколения и версии транзисторов IGBT. Чипы IGBT4-T4 и IGBT4-E4 имеют более мягенькие коммутационные свойства, чем прошлые IGBT3-T3 и IGBT3-E3, не считая того, конструктивно чипы версии E имеют более мягенькую коммутацию, чем T. Благодаря ультразвуковой сварке и использованию «m-frame-bus bar», модуль имеет существенно более низкую паразитную индуктивность, что очень принципиально для реализации в полном объеме преимуществ транзисторов IGBT4-T4.

Мягкость и, соответственно, скорость коммутации транзистора IGBT зависят также от температуры полупроводникового перехода. Увеличение температуры p-n-перехода значит увеличение мягкости переключения IGBT. Отменная мягкость должна достигаться уже при низких температурах, к примеру при 25 °C. Обычное поведение 150-А модуля EconoPACK 4 IGBT при Tvjop = 25 °C при включении и выключении показано на рис. 3.

EconoPACK 4 — новое поколение надежных силовых модулей

Новое поколение устройств будет более накрепко, чем его именитый предшественник — IGBT3. IGBT4-T4 выдерживает куцее замыкание, что продемонстрировано на рис. 4 для модуля FS150R12PT4.

EconoPACK 4 — новое поколение надежных силовых модулей

Разработка IGBT4 позволяет поднять наивысшую рабочую температуру кристалла на 25 °C — до Tvjop = 150 °C (рабочая температура для систем предшествующего поколения была 125 °C). Увеличение рабочей температуры отдало возможность прирастить выходную мощность за счет использования более широкого спектра температур при постоянных критериях остывания. Дополнительная оптимизация установки кристалла и технологии контактов позволила повысить устойчивость к энергоциклам включения/выключения (рис. 5).

EconoPACK 4 — новое поколение надежных силовых модулей

Силовые полупроводниковые приборы последнего поколения были оптимизированы с целью улучшения их черт и роста выходной мощности инвертора за счет увеличения рабочей температуры Tvjop = 150 °C. 1-ые представители семейства IGBT EconoPACK 4 — модули с напряжением 1200 В и номинальными токами 100, 150 и 200 А. Во всех 1200-В модулях EconoPACK 4 употребляются достоинства новейшей полупроводниковой технологии IGBT4-T4 и оборотных диодов 4-го поколения.

Последующим шагом в повышении уровня интеграции EconoPACK 4 стала разработка модуля MIPAQ serve. Таким макаром к преимуществам EconoPACK 4 добавился приспособленный и оптимизированный гальванически изолированный электрический драйвер в высшей части модуля.

Модуль MIPAQ serve

MIPAQ serve, разработанный на базе EconoPACK 4, представляет собой полупроводниковый модуль в конфигурации SixPACK с дополнительно встроенным драйвером и управляющей электроникой. В данный модуль включены драйверы для транзисторов IGBT и температурный датчик с цифровым выходным сигналом (рис. 6).

EconoPACK 4 — новое поколение надежных силовых модулей

Увеличение надежности модуля обосновано не только лишь механическими усовершенствованиями, да и дополнительными функциями:

  • Функция обнаружения низкого напряжения защищает модуль в тех случаях, когда напряжение источника питания становится неприемлимо низким.

  • Мониторинг напряжения насыщения VCEsat IGBT гарантирует эффективную защиту от недлинного замыкания.

  • Четкая регистрация температуры позволяет определять статический термический режим.

  • Сигналы об ошибках для драйверов верхнего и нижнего плеча информируют о функционировании компонент драйвера.

  • Разработка PressFIT обеспечивает обычный и надежный метод подключения драйверов к модулю.

Для обеспечения очень вероятной надежности, кроме реализации перечисленных выше электрических функций, был проведен кропотливый отбор компонент модуля. По этой причине пришлось, к примеру, отрешиться от оптоэлектронных компонент. Плотное размещение драйверов и силовых электрических компонент и результирующее тепловыделение могут привести к сокращению срока службы оптронов. В длительной перспективе это способно негативно сказаться на надежности. Заместо оптической в драйвере EiceDriver (1ED020I12-F) применена гальваническая изолированная развязка на базе технологии Infineon CLT (Coreless Transformer Technology — разработка трансформаторов без сердечника).

В новых устройствах, таких как EconoPACK 4 и MIPAQ serve, употребляются передовые решения: контакты PressFIT, ультразвуковая сварка и новая полупроводниковая разработка IGBT. Все эти системы спроектированы с учетом развития силовой электроники. Семейство продукции EconoPACK 4 в дальнейшем пополнит полууправляемый входной выпрямитель Econo-BRIDGE 4 , также 600В и1700В IGBT-модули с конфигурацией SixPACK