Рубрики
Оборудование

Новые высокоточные силовые модули таблеточного выполнения IGBT компании Westcode

Новые высокоточные силовые модули таблеточного выполнения IGBT компании Westcode F. Wakeman, G. Lockwood, LeJeune Перевод Иван Полянский В данной статье рассмотрены главные свойства

Новые высокоточные силовые модули таблеточного выполнения IGBT компании Westcode F. Wakeman, G. Lockwood, LeJeune
Перевод Иван Полянский

В данной статье рассмотрены главные свойства press-pack IGBT компании Westcode, показаны способности построения разных преобразователей на их базе. Предложенный материал является базисной информацией, нужной для осознания способностей и задач данной технологии. Необходимо отметить, что рассмотренные силовые транзисторы являются первым поколением, серийно освоенным компанией, которая в текущее время предлагает press-pack IGBT на напряжения 2500, 4500 и 5200 В в 3-х типах корпусов: 47, 75 и 100 мм.

IGBT силовые модули таблеточного выполнения разрабатывались для отказоустойчивых приложений, в каких не могут быть применены обыденные силовые модули. Разработка производства устройства на 400 А, 1800 В в 47 мм таблеточном корпусе показала отличные электромеханические свойства [1]. Свойства термоциклирования такового изделия оказались равными либо превосходящими стандартные технологии press-pack [6].

Новые высокоточные силовые модули таблеточного выполнения IGBT компании Westcode
Рис. 1. Результаты термоциклирования

На рис. 1 показаны результаты тесты на термоциклы устройства размером 47 мм. На графике показаны четыре точки, в каких происходило тестирование образцов на перепад температуры ΔT = 45 °C и потом ΔT = 85 °C, где тестирование прекращалось до момента выхода эталона из строя. Тест был продолжен при ΔT = 135 °C и прекращен после выхода из строя 1-го из 2-ух образцов, прошедших 115х103 термоциклов. Набросок содержит также информацию о термоциклировании силовых модулей на изолированном основании (пунктирная линия). Расчетное значение времени жизни устройства press-pack может быть получено из формулы Коффина-Мэнсона:

Из данной модели можно заключить, что способности термоциклирования устройств press-pack могут быть существенно, время от времени на несколько порядков, лучше, чем у модулей на изолированном основании.

Press-pack силовые модули IGBT сделаны в стандартных герметичных корпусах и могут быть просто применены для модернизации имеющегося оборудования с сохранением системы остывания и конструкции. Охлаждающая система может быть принудительной воздушной, жидкостной (рис. 2, 3) либо стопроцентно погруженной, к примеру, в масло.

Новые высокоточные силовые модули таблеточного выполнения IGBT компании Westcode
Рис. 2. Конструкция силового модуля с жидкостной охлаждающей системой
Новые высокоточные силовые модули таблеточного выполнения IGBT компании Westcode
Рис. 3. Конструкция с жидкостной охлаждающей системой (одна фаза)

Внедрение стандартных корпусов позволяет использовать стандартные системы остывания, крепления и уменьшает цена и время разработки.

Концепция огромных устройств силовые модули press-pack IGBT [7] показывает возможность данной технологии обеспечить полный диапазон мощностей, нужных в текущее время. Освоение корпуса размером 47 мм позволило стремительно выпустить изделия в корпусе 75 мм и приступить к дизайну устройств поперечником 100 мм. На рис. 4 показан корпус 75 мм; больший корпус отличается только габаритами.

Новые высокоточные силовые модули таблеточного выполнения IGBT компании Westcode
Рис. 4. Размеры корпуса поперечником 75 мм
Внутренняя конструкция силовых модулей press-pack IGBT

В корпусе 75 мм представлен большой диапазон новых силовых модулей press-pack IGBT. Новые изделия имеют ту же базисную конструкцию, что и 47-миллиметровые модули [1-6]. Одна ячейка такового модуля в сборе показана на рис. 5, а ее составные части — на рис. 6.

Новые высокоточные силовые модули таблеточного выполнения IGBT компании Westcode
Рис. 5. Ячейка с кристаллом в сборе
Новые высокоточные силовые модули таблеточного выполнения IGBT компании Westcode
Рис. 6. Вертикальное размещение частей ячейки

На рис. 7 изображен полный силовой модуль, состоящий из 24 кристаллов: 18 силовых транзисторов IGBT и 6 диодов.

Новые высокоточные силовые модули таблеточного выполнения IGBT компании Westcode
Рис. 7. Корпус поперечником 75 мм с электродами управления в сборе

Контакт с управляющими затворами осуществляется средством специальной конструкции, закрепленной в основании модуля (рис. 8), контакты с каждым затвором реализованы прижимом специального электрода.

Новые высокоточные силовые модули таблеточного выполнения IGBT компании Westcode
Рис. 8. Размещение платы подачи управляющих сигналов на затворы для корпуса 75 мм

Эти электроды размещаются в окнах ячеек для кристаллов (рис. 9), выступая над кассетой, как показано в правом верхнем углу рис. 7.

Новые высокоточные силовые модули таблеточного выполнения IGBT компании Westcode
Рис. 9. Устройство внутренней ячейки 100-миллиметрового корпуса

В дополнение к версии 75 мм разработан корпус 100 мм, который содержит 37 ячеек и имеет две модификации: все чипы IGBT с общим током до 3000 А и 28 IGBT с девятью диодиками с током 2200 А. Для корпуса 100 мм было найдено малость другое конструктивное решение: лучше сделать персональную ячейку для каждого кристалла, ежели располагать их в общей кассете, — это упрощает предварительное тестирование кристаллов в процессе сборки. Любая кассета устанавливается эмиттерным электродом на выступающие основания (рис. 10).

Новые высокоточные силовые модули таблеточного выполнения IGBT компании Westcode
Рис. 10. Конструкция корпуса 100 мм с эмиттерными контактами

Методика подключения управляющих электродов схожа той, которая использована в корпусе 75 мм. Измененная конструкция предлагает огромную упругость в построении модулей подходящей конфигурации. Одна стандартная ячейка может быть применена во всех типах корпусов и стремительно заменена при тестировании и сборке.

В то же время требования к антипараллельному диодику различны в различных приложениях, и для его установки требуется изменение эмиттерного контакта и платы рассредотачивания затворных контактов, хотя для диодов применяется унифицированная кассета. Это не значит, что можно стремительно получить подходящую конфигурацию IGBT с диодиками, но уменьшает время и цена разработки законченного изделия по предъявляемым требованиям.

Электронные свойства

Большой диапазон обозначенных IGBT силовых модулей употребляет один и тот же тип кристаллов 1800 В, 80 А. Эти кристаллы разработаны специально для монтажа press-pack, имеют специальную металлизацию и структуру затвора, интегрированный резистор, и могут быть применены в различных типах корпусов.

Интегрированный резистор затвора имеет ряд параметров, позволяющих прирастить эффективность использования силовых модулей press-pack IGBT в специфичных приложениях. Сравнимо низкое сопротивление встроенного резистора, порядка 1-го ома, наращивает наивысшую частоту в режиме мягеньких переключений, что нужно в оборудовании для индукционного нагрева. Эта особенность просит правильного выбора наружного резистора затвора в схемах драйвера для исключения огромных dv/dt при запирании в режиме жестких переключений.

Резистор затвора также имеет существенно более маленький температурный коэффициент, ежели кремниевые резисторы, применяемые в большинстве силовых модулей (рис. 11).

Новые высокоточные силовые модули таблеточного выполнения IGBT компании Westcode
Рис. 11. Температурная зависимость поочередного резистора press-pack IGBT (Д1-А4) и модуля на изолированном основании (В1-В2 и С1-С2]

Это в особенности принципиально в случае, когда резистор сделан на кристалле и работает в полном спектре температур IGBT. Как видно на рис. 11, температурный коэффициент А1-А4 существенно меньше того, что употребляется в стандартных модулях на изолированном основании (В1-В2 и С1-С2). Электронные свойства кристаллов 1800 В, применяемых в производстве данных press-pack, оптимизированы для работы на частотах до 20 кГц. В итоге прямое падение напряжения «коллектор — эмиттер» несколько больше либо сопоставимо со значениями для модулей на изолированном основании, но это компенсируется сокращением утрат переключения на больших частотах. Типовая черта переключения 1-го устройства на 1400 А в 75-милиметровом корпусе показана рис. 12. В этом случае показан режим жестких переключений без снабберных цепей turn-on и turn-off. Для роста рабочей частоты устройство должно быть оптимизировано для резонансных схем, таких, как, к примеру, индукционный нагрев.

Новые высокоточные силовые модули таблеточного выполнения IGBT компании Westcode
Рис. 12. Типовая черта переключения для 14О0А, 1800 В силовых модулей press-pack IGBT

На основании результатов тесты 47- и 75-миллиметровых устройств можно выстроить модель для корпуса 100 мм. Смоделированные свойства для корпуса 100 мм вместе с 75 мм представлены на рис. 13 — тут отображен режим жестких (непрерывная линия) и мягеньких (пунктирная линия) переключений от сетевого напряжения 900 В. Рабочая частота, приобретенная на данном графике, есть предполагаемое значение, которое находится в зависимости от многих причин, таких, как особенности корпуса и т. п. Более высочайшая частота переключения (на 30-40%), к примеру, может быть получена при понижении напряжения коммутации до 600 В. При всем этом характеристики драйвера управления и снабберных цепей могут значительно воздействовать на общие свойства.

Новые высокоточные силовые модули таблеточного выполнения IGBT компании Westcode
Рис. 13. Рабочая частота при мягеньком и жестком режимах переключения

Пример, рассмотренный на рис. 13, предполагает внедрение встроенного антипараллельного диодика на полный спектр тока. В случаях, когда употребляется наружный диодик либо приложение не просит наличия встроенного диодика, весь корпус может быть заполнен кристаллами IGBT, увеличивающими суммарный ток устройства.

Для корпуса 100 мм частота может быть увеличена, как это показано на рис. 14, в режиме мягеньких переключений.

Новые высокоточные силовые модули таблеточного выполнения IGBT компании Westcode
Рис. 14. Рабочая частота при мягеньком режиме переключения для 100-миллиметрового устройства без антипараллельного диодика
Примеры использования

Силовые модули Press-pack IGBT нацелены на применение в изделиях завышенной надежности либо в приложениях с жесткими температурными критериями. Это гласит не об их уникальности, а быстрее о тех новых способностях, которые вы сможете получить, применяя силовые модули press-pack IGBT в обозначенных областях техники.

Используя press-pack IGBT, можно сделать малогабаритные модули с жидкостным остыванием. Возьмем для примера H-bridge инвертор (рис. 15), который состоит из 2-ух фаз с поочередно соединенными IGBT; может быть построение очень малогабаритного модуля (рис. 16).

Новые высокоточные силовые модули таблеточного выполнения IGBT компании Westcode
Рис. 15. Оема Н-bridge инвертора
Новые высокоточные силовые модули таблеточного выполнения IGBT компании Westcode
Рис. 16. Инвертор Н-bridge

Этот силовой модуль имеет комфортное размещение цепи неизменного напряжения (DC line), которая может быть подключена конкретно к конденсатору фильтра ординарными параллельными шинами. Данный пример не предполагает изоляции от системы остывания, которая может быть просто получена с применением изолирующих дисков, что, естественно, скажется на цены и наибольшей мощности изделия.

Такая же малогабаритная конструкция может быть получена для модуля H-bridge с поочередными диодиками (current-fed) (рис. 17).

Новые высокоточные силовые модули таблеточного выполнения IGBT компании Westcode
Рис. 17. Базисная схема H-bridge инвертора с поочередными диодиками

Поочередные силовые диоды находятся в той же конструкции, что и IGBT, являясь частью общего малогабаритного модуля (рис. 18).

Новые высокоточные силовые модули таблеточного выполнения IGBT компании Westcode
Рис. 18. Инвертор H-bridge со схемами управления

В обоих примерах драйверы управления смонтированы на боковых плоскостях конструкции, что минимизирует длину соединений. Оба модуля демонстрируют пример конструкции, которая может быть нужна в индукционном нагреве, сварочной технике либо всех других приложениях, где предполагаются жесткие температурные условия эксплуатации частей. Малогабаритный дизайн и комфортное соединение с линией AC либо DC открывают дорогу для работы на частотах прямо до 20 кГц: индуктивность наружных частей управления может быть выше, чем в модулях на изолированном основании, но это компенсируется очень малой внутренней индуктивностью press-pack IGBT.

Одна особенность Press-pack устройств определяет область их внедрения — это пробой либо выход изделия из строя [6]. Благодаря собственной механической конструкции press-pack IGBT всегда выходят из строя методом замыкания накоротко, продолжая проводить ток в неисправном состоянии. Таким макаром, может быть применена та же схема резервирования, что и при использовании стандартных тиристоров (N+1), методом поочередного соединения нескольких устройств. При выходе из строя 1-го из частей система сохранит свою работоспособность.

При использовании силовых модулей press-pack IGBT выходит более обычная конструкция жидкостной либо воздушной системы остывания (рис. 19) по сопоставлению с модулями на изолированном основании.

Новые высокоточные силовые модули таблеточного выполнения IGBT компании Westcode
Рис.19. Сборка с принудительным воздушным остыванием на базе силовых модулей press-pack IGBT

Обычно, габаритные размеры преобразователя на базе силовых модулей press-pack IGBT оказываются меньше, ежели с внедрением модулей. Последовательное соединение press-pack IGBT является более естественным решением, ежели параллельное соединение модулей. Для обеспечения подходящего уровня мощности проще соединить поочередно два сильноточных низковольтных press-pack IGBT, чтоб обеспечить подходящий уровень напряжения коммутации, чем соединить параллельно два высоковольтных модуля на изолированном основании. Разработчики преобразователей нередко сдержанны в применении поочередного соединения устройств, боясь усложнения системы и необходимости выравнивания черт переключения частей. Для силовых модулей Press-pack IGBT изоляция схемы управления затворами при поочередном соединении более не является особенной сложностью, как в случае с тиристорами, так как не просит таковой же энергии переключения. Выравнивание свойства переключения может быть сравнимо просто получено методом контроля управляющих сигналов.

Заключение

Конструкция внутренних частей новых сильноточных press-pack IGBT в стандартных промышленных корпусах обеспечивает высочайший уровень надежности при эксплуатации в жестких температурных критериях. Электронные свойства в различных приложениях обеспечивают рабочую частоту до 20 кГц. Для неких типовых приложений, таких, как H-bridge либо последовательное соединение частей, может быть получена очень малогабаритная конструкция.