Рубрики
Силовые разъемы

SEMiX — новое поколение никзопрофильных силовых модулей IGBT компании SEMIKRON

SEMiX — новое поколение никзопрофильных силовых модулей IGBT компании SEMIKRON Андрей Колпаков На выставке PCIM-2003, прошедшей в Нюрнберге в мае 2003 года, в первый раз было представлено

SEMiX — новое поколение никзопрофильных силовых модулей IGBT компании SEMIKRON Андрей Колпаков

На выставке PCIM-2003, прошедшей в Нюрнберге в мае 2003 года, в первый раз было представлено новое поколение силовых модулей IGBT SEMIKRON SEMiX, созданных для производства высокоэффективных компактных массивных преобразователей. В этом году на PCIM-2004 можно было узреть новые модификации SEMiX — трехфазный инвертор SEMiX 13 и умственный силовой модуль на базе модуля SEMiX 3 и нового драйвера SKYPER.

Основной предпосылкой выпуска нового семейства силовых модулей SEMIKRON, получившего заглавие SEMiX, были требования рынка по предстоящему увеличению эффективности преобразовательной техники и необходимость разработки аналогов модулей EconoPack+ (EUPEC), очень фаворитных благодаря малым габаритам и высочайшей эффективности. Разумеется потому во всех материалах и презентациях, посвященных SEMiX, проводится сопоставление их черт с параметрами модулей Econopack+.

Для решения задачки обеспечения соизмеримых и наилучших характеристик и получения большей мощности в аналогичном габарите спецы SEMIKRON разработали серию низкопрофильных модулей SEMiX, внешний облик которых приведен на рис. 1. Каждый модуль содержит 2, 3 либо 4 параллельно соединенных полумостовых каскада (см. рис. 2b, c, d). Модули отличаются только длиной, что упрощает разработку вариантов конструкции для изделий различной мощности. Для подключения термический защиты на базисной плате силовых модулей устанавливается термодатчик с NTC чертой.

SEMiX — новое поколение никзопрофильных силовых модулей IGBT компании SEMIKRON
Рис. 1. Внешний облик моделей SEMiX, габаритные размеры, спектры рабочих токов
SEMiX — новое поколение никзопрофильных силовых модулей IGBT компании SEMIKRON
Рис. 2. а) полумостовая DBC-плата силового модуля SEMiX b), с), d) базисная плата модулей SEMiX 2,3,4 е) конструкция силового модуля SEMiX

Глиняная DBC (Direct Bonded Copper) плата модуля SEMiX с полумостовым каскадом IGBT показана на рис. 2а. Красноватые области на плате определяют точки подключения пружинных сигнальных контактов модуля, являющихся «фирменным» элементом конструкции изделий SEMIKRON. Подобные контакты обширно употребляются в модулях SEMIKRON для соединения затворов силовых транзисторов с платой управления, бессчетные тесты проявили их высшую надежность и неплохую временную стабильность характеристик в самых томных критериях эксплуатации [3]. Разработанная специально для SEMiX топология размещения пружинных контактов и наличие конкретной связи с выводами затвора и эмиттера каждого кристалла позволяет улучшить динамические свойства параллельно соединенных транзисторов в режиме переключения и недлинного замыкания (КЗ).

Обеспечение динамического баланса параллельно соединенных кристаллов является суровой неувязкой стандартных модулей, конструкция которых не позволяет обеспечить идентичность распределенных индуктивностей силовых и сигнальных цепей. Несимметрия соединительных шин приводит к тому, что все транзисторы не могут переключаться сразу и с схожей скоростью, что приводит к дисбалансу токов и появлению паразитных осцилляций, что в особенности небезопасно в режиме КЗ. Тем паче принципиальной оказывается возможность выбора положения сигнальных контактов затвора и эмиттера, не считая того, лучшая топология силового каскада позволяет изменять сопротивление затвора в широких границах. В обыденных модулях понижение номинала резисторов затвора для уменьшения динамических утрат нередко порождает трудности, связанные с перенапряжениями и паразитными генерациями.

Пружинные сигнальные контакты SEMiX могут быть выведены наружу и зафиксированы при помощи отверстий в корпусе (рис. 3b), они также употребляются для соединения силового каскада с переходной платой, имеющей выводы под пайку (рис. 3a). На плате могут быть установлены резисторы затвора и элементы для защиты сигнальных выводов от динамических перенапряжений. И в конце концов, на базе модуля с пружинными выводами предусмотрен вариант SEMiX IPM — умственный силовой модуль (рис. 3c). На рис. 3 показаны вероятные варианты выполнения SEMiX.

SEMiX — новое поколение никзопрофильных силовых модулей IGBT компании SEMIKRON
Рис. 3. Варианты выполнения силовых модулей SEMiX

Особенности конструкции модулей SEMiX, внедрение новейших типов кристаллов SPT и Trench IGBT транзисторов ориентированы на обеспечение наибольшей плотности тока при малой высоте корпуса. Для понижения суммарных утрат мощности при больших токах нужно обеспечить низкое омическое сопротивление силовых терминалов и промежных соединений полумостовых каскадов. Очень принципиальным параметром является также значение паразитной распределенной индуктивности выводов, влияющее на уровень перенапряжения при выключении транзисторов.

Вариант готового конструктива 3-фазного инвертора с модулями SEMiX 3 показан на рис. 7. Выводы SEMiX, созданные для подключения силовых шин DC и AC, расположены по различные стороны модуля. Размещение силовых терминалов по бокам упрощает установку платы драйвера и позволяет располагать ее конкретно на модуле, как показано на рис. 3. При всем этом обеспечивается кратчайшая связь выходов драйвера с выводами управления силовых транзисторов.

Конструкция модуля SEMiX показана на рис. 2е. Глиняние DBC-платы (материал — оксид алюминия) с кристаллами силовых транзисторов и антипараллельных диодов инсталлируются на медное основание и соединяются в параллель при помощи промежных U-образных плоских перемычек. Перемычки, так же как и терминалы DC и AC, подключаются к медным шинам, нанесенным на керамику, при помощи пайки. Таковой метод соединения обеспечивает малое значение утрат проводимости и распределенных индуктивностей. Паяное соединение также позволяет обеспечить отдачу тепла с силовых выводов через глиняную DBC-плату конкретно на медное основание и радиатор.

Спиральные пружинные контакты, зафиксированные в корпусе, производят связь сигнальных выводов силовых транзисторов и термодатчика с промежной печатной платой либо конкретно с платой управления. Точки подключения пружинных контактов помечены красноватым цветом на рис. 2а и 4с. Как уже было упомянуто, выбор точек подключения контактов осуществляется для получения хороших динамических черт и малой обоюдной связи меж каскадами.

Тесты, проводимые SEMIKRON, подтверждают высшую надежность соединения при помощи спиральных пружинных контактов и долговременную стабильность характеристик контактов при вибрационных нагрузках и термоциклировании. Особые испытания проявили, что распределенная индуктивность пружинных сигнальных соединителей не превосходит индуктивности прямых паяных выводов и фактически не оказывает воздействия на динамические свойства модуля.

Для SEMiX была разработана новенькая конструкция базисной платы, позволяющая соединять воединыжды модули в малогабаритной 3-фазной конфигурации либо включать их параллельно. На базисной плате и корпусе модуля делается подборка в виде полукруга, а крепежное отверстие появляется при установке модулей рядом вместе (рис. 4а, b).

Сборка силовых модулей SEMiX делается на стопроцентно автоматической полосы. На первом шаге делается установка кристаллов на DCB-плату при помощи бессвинцовой пайки. Дальше способом ультразвуковой сварки осуществляется подключение проводников (bonding), соединяющих кристалл с шинами связи, нанесенными на керамику диффузионным методом, и делается 100%-й статический контроль.

На последующей стадии производства DBС-платы и силовые терминалы напаиваются на медную базисную плату по новейшей для силовых модулей технологии вакуумной пайки в парах припоя. После установки на основание пластмассовой рамки корпуса с пружинными сигнальными выводами модуль заливается силиконовым гелем. На этом шаге делается 100%-й тест статических и динамических черт и делается лазерная маркировка.

Свойства проводимости силовых выводов и паяных соединений модулей SEMiX проверяются по падению напряжения при пропускании в разных направлениях импульсов тока Itest амплитудой 440…450 А и продолжительностью 80 мкс. Тесты при импульсном токе нужны для того, чтоб исключить погрешности, вносимые при нагреве токопроводящих частей и чипов.

Напряжение насыщения VCEsat IGBT либо прямое напряжение VF антипараллельного диодика измеряются на терминале (TL — Terminal Level) и чипе (CL — Chip Level) при температуре кристалла Tj 25 °С и 125 °С Результаты измерений и расчетов суммарного значения распределенного сопротивления в цепях эмиттера и коллектора RCc+ee приведены в таблице 1. Сопротивление определено как разность напряжений в точках TL и CL, деленное на значение тока. Измерения демонстрируют низкое значение паразитных сопротивлений токопроводящих цепей и их симметричное рассредотачивание при протекании тока в разных направлениях.

SEMiX — новое поколение никзопрофильных силовых модулей IGBT компании SEMIKRON
Таблица 1. Распределенные сопротивления терминалов SEMiX

Для доказательства свойства конструкции модули SEMiX подвергались термоциклиро-ванию в согласовании с требованиями эталона IEC 600068 (часть 2-14). После воздействия 150 термоциклов с перепадом температуры от -40 до 125 °С электронные характеристики, определенные в спецификациях, оставались в границах допусков для всех тестируемых модулей.

Для улучшения термических черт конструкции 3-фазный инвертор IGBT может быть выполнен из полумостовых модулей SEMiX, установленных раздельно на неком расстоянии друг от друга.

Эпюры рассредотачивания температуры при раздельном расположении полумостовых модулей SEMiX 3 и в случае внедрения 3-фазного модуля SEMiX 33 при схожем уровне рассеиваемой мощности показаны на рис. 5. Красноватым цветом выделены зоны с наибольшей температурой. Как видно из эпюр, при разнесении корпусов модулей устраняется эффект обоюдного нагрева. В центре 3-фазного модуля наблюдается зона локального перегрева, плата за компактность оказывается довольно высока: для того, чтоб обеспечить аналогичный термический режим силовых кристаллов, в данном случае нужно либо использовать более мощнейший вентилятор, либо снижать выходную мощность. Термические расчеты и результаты измерений демонстрируют, что разнесение модулей даже на 3 мм (5% от ширины модуля) понижает суммарное термическое сопротивление «кристалл — окружающая среда» на 20%.

Термические свойства модуля в значимой степени зависят от свойства поверхности радиатора. Неравномерность поверхности теплоотвода для обеспечения данных термических черт не должна превосходить 20 мкм, шероховатость — 10 мкм, а толщина слоя теплопроводящей пасты должна составлять 50…100 мкм. SEMIKRON советует использовать для собственных модулей теплопроводящую силиконовую пасту марки Wacker-Chemie P12. Нанесение пасты идеальнее всего создавать при помощи жесткого резинового ролика либо трафарета, толщина слоя должна быть проконтролирована при помощи особых измерительных калибров (к примеру, компании ELCOMETER Instruments GmbH: Sechek-Kamm 5-150 мкм). При установке модулей SEMiX должны быть соблюдены все требования, обозначенные в аннотации по монтажу [7].

Эпюры, приведенные на рис. 6а и b, получены в итоге динамических тестов модуля SEMiX452GB126 (450 А, 1200 В) с кристаллами Trench IGBT при включении и выключении при токе коллектора 900 А, напряжении шины 600 В и температуре кристалла 125 °С.

На графике 5с показаны процессы, происходящие при маленьком замыкании 1-го из транзисторов полумоста через кабель с нормированной распределенной индуктивностью и следующим (через 10 мкс) отключением. Ток при выключении добивается значения ICmax = 2300 А (5 х ICnom), что соответствует среднему значению тока «самоограничения» для технологии Trench IGBT. При всем этом уровень перенапряжения на коллекторе не превосходит 970 В, что считается неопасным значением для модуля с рабочим напряжением 1200 В. Благодаря хорошему расположению сигнальных выводов подобные графики, приобретенные для других транзисторов 3-фазного инвертора, демонстрируют близкий нрав процесса переключения, также низкую колебательность и практическое отсутствие паразитных связей меж транзисторами моста. При испытаниях использовалась DC-шина, разработанная для модулей SEMiX (рис. 7). На рисунке также видны снаб-берные конденсаторы и гибкие кабели сечением 92 мм2, присоединенные к АС-терминалам.

SEMiX — новое поколение никзопрофильных силовых модулей IGBT компании SEMIKRON
Рис. 7. Конструктив 3-фазного инвертора IGBT на моделях SEMJX3

Направьте внимание на то, что кабели подключены к выводам модуля через промежную пластинку, закрепленную на основании при помощи втулки. Этот элемент конструкции нужен для уменьшения вибрационной нагрузки на терминалы, имеющие паяное соединение с модулем. Усилие, которое могут выдерживать силовые выводы SEMiX, согласно документации составляет 100 N в каждом направлении. Конструкция, показанная на рисунке, подвергалась особым испытаниям на воздействие вибрации и ударов. Характеристики испытаний: ускорение 1 g, частота 10…1000 Гц, продолжительность — 10 мин в каждом направлении. Тесты проявили высшую стабильность механических характеристик конструкции.

Модули SEMiX 33 и EconoPACK+ имеют идентичные конструктивы. У их схожи крепежные размеры, габаритные размеры и размещение силовых терминалов. Но модули SEMIKRON имеют ряд существенных технологических преимуществ, что выразилось в улучшении термических и электронных характеристик. Сравнительные свойства модулей приведены в таблице 2а.

Немногие разработчики при расчете термических режимов преобразователя учитывают утраты, создаваемые распределенным сопротивлением силовых выводов. Но, к примеру при токе 450 А, утраты на выводах модуля EconoPACK+ FS450R12KE3 с сопротивлением RCc+ee = 1,1 мОм оказываются больше 200 Вт! В модуле SEMiX 703GB126HD, где это сопротивление снижено до 0,8 мОм, выигрыш составляет около 60 Вт. При токе 300 А падение напряжения на силовых выводах за счет уменьшения контактного сопротивления миниатюризируется на 130 мВ, температура перегрева терминалов понижается с 85 до 40 °С.

Уменьшение значения термических сопротивлений «кристалл — корпус» и «корпус — теплосток» позволяет понизить температуру кристалла и, соответственно, прирастить допустимые токовые нагрузки модуля. Это в купе с наименьшим напряжением насыщения позволяет восполнить несколько более высочайшие динамические утраты по сопоставлению с модулями EconoPACK+.

Таблица 2b показывает сравнительные свойства модулей SEMiX 854GB176HD и нового модуля Митсубиши 5-го поколения CM1000DU-34NF c рабочим напряжением 1700 В. Сопоставление может показаться не совершенно корректным, так как номинальный ток модуля Митсубиши — 1000 A, а SEMIKRON — 855 A. Но при всем этом статические утраты модуля SEMiX будут при том же токе значительно меньше за счет наименьшего напряжения насыщения IGBT и наименьшего падения напряжения на диодике. Оценить соотношение динамических утрат пока нереально, потому что в технических свойствах модуля CM1000DU-34NF отсутствуют данные об энергии утрат. Но наименьшая величина входной емкости гласит о том, что утраты переключения драйвера будут существенно меньше при управлении SEMiX. И не считая всего остального, модуль SEMiX меньше и дешевле!

На рис. 8 показана зависимость наибольшей выходной мощности модулей SEMiX от частоты переключения, а в таблицах 3-5 приведены главные технические свойства выпускаемых модулей SEMiX, рассчитанных на напряжение 1200 и 1700 В. При производстве модулей SEMiX употребляется 2 типа технологии: Trench-IGBT, позволяющая получить сверхнизкие утраты проводимости, и SPT-IGBT (Soft Punch Through) с хорошим сочетанием утрат проводимости и переключения.

SEMiX — новое поколение никзопрофильных силовых модулей IGBT компании SEMIKRON
Рис. 8. Зависимость выходной мощности от частоты ШИМ
Заключение

На выставке PCIM-2004, прошедшей в Нюрнберге в мае этого года, на щите SEMIKRON был представлен умственный модуль SEMiX IPM на базе нового драйвера SKYPER (см. рис. 10). Это унифицированное устройство управления полумостовым модулем IGBT вобрало в себя наилучшие технические решения, отысканные компанией за 30 лет работы в данном направлении. Базисным устройством для разработки послужил драйвер SKHI22A, выпущенный в сотках тыщ экземпляров и доказавший свою многофункциональную полноту и надежность.

SEMiX — новое поколение никзопрофильных силовых модулей IGBT компании SEMIKRON
Рис. 10. Умственный силовой модель SEMiX IPM: SKYPER + плата адаптера + модель SEMiX 3

В SKYPER, блок-схема которого приведена на рис. 9, предусмотрены все нужные базисные виды защит и мониторинга, также режим плавного отключения при срабатывании защиты SSD (Soft Shut Down). Гальваническая изоляция управляющих сигналов осуществляется при помощи импульсных трансформаторов (напряжение изоляции 4 кВ) с двунаправленной передачей сигнала. Питание устройства делается от 1-го источника 15 В, все напряжения, нужные для работы выходных каскадов драйвера, вырабатываются при помощи встроенного DC/DC-конвертора. Пиковый выходной ток драйвера составляет 8 А, он способен управлять модулями, имеющими заряд затвора до 6 мкКл. SKYPER выпускается в 2-ух версиях: BASE и PREMIUM, 2-ая модификация дополнительно содержит в себе блок защиты от перегрева (датчик Tsensor и блок «Термозащита» на рис. 9) и дополнительный вход для подключения датчика тока (IERR на рис. 9).

Специально для SKYPER выпущена интегральная микросхема (ASIC — Application Specific IC) SKIC 2001, структурная схема которой совместно с общей блок-схемой драйвера показана на рис. 9. Двухканальная микросхема SKIC 2001 делает последующие функции:

  • угнетение шумовых импульсов;
  • нормирование уровней и фронтов входных сигналов;
  • мониторинг напряжения питания (защита UVLO);
  • мониторинг сигналов ошибки;
  • запрет одновременного включения транзисторов полумоста, формирование tdt;
  • управление интегрированным изолированным DC/DC-конвертором.

Интерфейс драйвера организован так, что логические сигналы управления объединены в многофункциональные группы, что упрощаетподключение и содействует понижению перекрестных помех. При всем этом для функционирования устройства довольно подачи сигналов TOP, BOTTOM (управление затворами) и SELECT (разрешение).

Расширение палитры производимых частей, разработка новых поколений модулей является жесткой необходимостью, диктуемой конкурентнстью на рынке электрических компонент. С другой стороны, расширение номенклатуры и улучшение технических черт помогают юзеру выполнить верный выбор, упростить разработку, сделать ее более конкурентоспособной. С этой точки зрения возникновение новых модулей SEMiX еще больше крепят позиции SEMIKRON как мирового фаворита в производстве компонент силовой электроники.

Разработка модулей серии SEMiX расширила область внедрения силовых модулей в стандартном конструктиве до мощностей выше 150 кВт. В модулях SEMiX использованы новые кристаллы Trench IGBT со сверх низкими потерями проводимости и кристаллы SPT IGBT с оптимизированным соотношением утрат проводимости и переключения. В качестве антипараллельных диодов употребляются диоды CAL, обеспечивающие низкие утраты проводимости и плавный нрав оборотного восстановления. При всем этом SEMIKRON предлагает, по-прежнему, изделия с беспримерными электронными, термическими чертами и показателя ми надежности.