Рубрики
Электрическая сопоставимость

Силовые IGBT модули Infineon Technologies

Силовые IGBT модули Infineon Technologies Анатолий Бербенец IGBT-модули — классические составляющие силовой электроники, которые обширно употребляются во всех отраслях индустрии и домашней

Силовые IGBT модули Infineon Technologies Анатолий Бербенец

IGBT-модули — классические составляющие силовой электроники, которые обширно употребляются во всех отраслях индустрии и домашней техники. Главные мировые производители этих полупроводниковых компонент — это ABB, Митсубиши, Semikron, Infineon Technologies [1]. При всем этом ABB, Митсубиши и Infineon создают также и полупроводниковые IGBT и диодные кристаллы для производства модулей. Посреди 2006 года Infineon присоединила свою дочернюю фирму Eupec и стала одним из глобальных фаворитов по производству IGBT-модулей, а разработанное компанией в последние годы новое поколение кристаллов IGBT Trench серии IGBT4 (Trench FS4) и выпуск силовых модулей на их базе закрепили ее фаворитные позиции в этой области.

Технологии IGBT-кристаллов Infineon

До того как обратиться к обзору силовых модулей, выпускаемых Infineon, разглядим коротко главные виды IGBT-кристаллов, которые употребляет компания в собственной продукции.

Дело в том, что фактически кристалл IGBT-транзистора, также согласованный с ним кристалл антипараллельного диодика своими чертами определяют главные характеристики IGBT-модуля: рабочие токи и напряжения, падение напряжения во включенном состоянии, утраты переключения, предельную температуру и надежность. Важным также будет то, что больше половины цены модуля формируется ценой полупроводниковых кристаллов. Потому производители повсевременно улучшают технологии производства чипов с целью оптимизации всей совокупы их черт. При этом, как справедливо отмечено в статье [2], улучшение технологий производства IGBT-кристаллов происходит по спирали — от «стандартных» PT (Punch Through) и NPT (Non Punch Through) к современным Trench FS3 и Trench FS4 IGBT-кристаллам Infineon, получившим заглавие IGBT3 и IGBT4. В таблице 1 на примере модулей малой мощности серии Econo от Infineon приведены отличительные свойства разных поколений технологии производства IGBT-кристаллов.

Таблица 1. Технологии производства IGBT-кристаллов Infineon на примере модулей малой мощности серии Econo 1200 В
Силовые IGBT модули Infineon Technologies

Из таблицы 2 видно, что современная разработка Infineon Trench FS4 (IGBT4) полностью может быть отнесена к универсальной исходя из убеждений быстродействия статических и динамических утрат.

Таблица 2. IGBT-модули серии Easy
Силовые IGBT модули Infineon Technologies

В чем главные плюсы кристаллов IGBT4? Улучшение технологии IGBT3 и создание IGBT4 привело к понижению утрат переключения в широком спектре частот, при этом удалось достигнуть более плавного переключения. Более того, кристаллы IGBT4 оказались наименьшей площади, что дает увеличение выхода пригодных при производстве и понижение себестоимости модулей. Одним из основных достижений в свойствах кристаллов IGBT4 является повышение допустимой температуры кристалла с 150 до 175 °С. Благодаря этому возрос припас по перегрузке IGBT-модулей и повысилась их надежность. С возникновением кристаллов IGBT4 термин Trench закончил ассоциироваться с низкочастотной технологией. Силовые модули на базе IGBT4 могут быть применены фактически во всем спектре частот управления приводами.

Основной объем модулей Infineon делается на базе кристаллов 2 и 3 поколения, именуемых IGBT2 (технологии NPT) и IGBT3 (технологии Trench FS3).

Но c возникновением «универсальных» кристаллов IGBT4 все огромную долю в производственной программке начинают занимать модули на их базе. Это относится не только лишь к модулям, производимым Infineon, да и, к примеру, к новейшей серии модулей компании SEMIKRON SEMITRANS T4, выпускаемых на базе IGBT4-кристаллов Infineon Technologies [2]. Модули на базе IGBT 4-ого поколения появились во всех сериях модулей, производимых Infineon.

Обзор силовых IGBT-модулей Infineon

Диапазон силовых IGBT-модулей, выпускаемых Infineon (ранее модули Eupec), представлен в виде графика на рис. 1. Infineon производит более 400 типов разных IGBT-модулей.

Силовые IGBT модули Infineon Technologies

Модули условно могут быть разбиты на 3 группы зависимо от номинальной мощности (тока, напряжения и конструктива):

  • модули малой мощности <50 А, <10 кВт;
  • модули средней мощности <500 А, <100 кВт;
  • модули большой мощности ~3600 А, ~2 МВт.

К первой группе модулей относятся серии Easy и Econo. Наименования Easy и Econo отражают конструктивное выполнение модулей и рабочие мощности. К первой серии маломощных модулей относятся EasyPIM, EasyPACK, EasyDUAL. 2-ая серия состоит из модулей EconoPIM, EconoPACK, EconoDUAL.

IGBT-модули малой мощности. Серия Easy

Серия Easy модулей — это IGBT-модули малой мощности в экономном конструктиве. Все новые корпуса серии Easy обустроены встроенными клеммами для крепления модуля к радиатору и штыревыми выводами под пайку печатной платы драйвера. Выпускаются 5 видов корпусов Easy: Easy 750, Easy 1, Easy 2, Easy 1B, Easy 2B.

Зависимо от многофункциональной схемы (топологии), различаются модули Easy PIM и Easy PACK. В свою очередь, Easy PACK делится на Easy DUAL, Easy FourPACK, Easy SixPACK. Модули Easy выпускаются на рабочие напряжения 600 и 1200 В на базе кристаллов IGBT3 и IGBT4. Спектр рабочих токов и топологии, интегрированные в модуль серии Easy, приведены в таблице 2.

IGBT-модули малой мощности. Серия Econo

Серия IGBT-модулей Econo отличается от серии Easy более большим и крепким корпусом и, как следствие, большенными рабочими токами. Так же как и в серии Easy, в этой серии различают модули PIM и PACK. Топология PIM более насыщенна и содержит в себе диодный выпрямительный мост, чоппер, NTC-резистор и 3 IGBT-полумоста. В базе модулей Econo употребляются кристаллы IGBT3 и новые IGBT4. Конструкция корпусов Econo имеет два варианта выполнения: стандартный вариант для монтажа на интегральную схему при помощи пайки штыревых выводов и вариант соединения с печатной платой без использования пайки — способом механического контактирования выводов специальной формы, вставляемых в металлизированные отверстия печатной платы. Этот новый конструктив и способ соединения модулей с печатной платой получил заглавие Press FIT (индекс В11 в обозначении модуля). Способ позволяет стремительно соединить модуль с печатной платой, к примеру платой драйвера, без использования пайки и сопутствующего этому риска перегрева платы. Это увеличивает удобство эксплуатации, в особенности в случаях подмены модуля при ремонте. Не считая того, этот способ позволяет устанавливать модуль на плату с двухсторонним монтажом частей. Варианты выпускаемых модулей Econo приведены в таблице 3.

Таблица 3. IGBT-модули серии Econo
Силовые IGBT модули Infineon Technologies
IGBT-модули средней мощности

Группа модулей средней мощности состоит из 3-х серий:

  • модули в корпусах промышленного эталона шириной 34 и 62 мм — «модуль 34 мм», «модуль 62 мм»;
  • модули серии Econo PACK+;
  • модули серии Econo DUAL2, Econo DUAL3.

Спектр рабочих напряжений, токов и главные топологии модулей данной группы приведены в таблице 4.

Таблица 4. IGBT-модули средней мощности
Силовые IGBT модули Infineon Technologies

Серия модулей в стандартном корпусе 62 мм — более бессчетная в группе модулей средней мощности. В ней употребляются IGBT-кристаллы поколений IGBT2, IGBT3, IGBT4, в том числе быстродействующие IGBT2 FAST. В составе модулей на 1200 В есть одиночные ключи до 800 А, чопперы на 100–400 А, диоды на 300–800 А, полумосты на 100–450 А. В модулях на рабочее напряжение 1700 В — одиночные ключи, полумосты и диодные модули. С внедрением новых кристаллов IGBT4 уже делаются модули на 1200 В с током 300 А в конфигурации полумост и чоппер.

Модули Econo PACK+ имеют корпус размером 150-162 мм, который представляет собой единую конструкцию из 3-х корпусов типа Econo. В модуле располагаются три IGBT-полумоcта с NTC-резистором. Модули выпускаются на рабочие напряжения 1200 и 1700 В. С 2008 года в серии появились модули на базе кристаллов IGBT4 на оба рабочих напряжения. Эти модули имеют в конце обозначения типа модуля символ «E4».

Модули серии Econo DUAL2 выпускаются в конфигурации полумост и полный мост на базе кристаллов серии IGBT2 FAST, IGBT3 и IGBT4. В 2008 году в серии Econo DUAL3 планируется выпуск модулей на рабочее напряжение 600 В на базе кристаллов IGBT3 (усовершенствованной технологии IGBT3 с наибольшей рабочей температурой кристалла 150 °С). Модули будут иметь рабочие токи до 600 А и топологию полумост/чоппер.

Главные области внедрения IGBT-модулей средней мощности:

  • Промышленные приводы.
  • Источники питания.
  • Источники возобновляемой энергии (ветрогенераторы и пр.).
  • Сварка и индукционный нагрев.
  • Электроприводы эскалаторов и другой подъемной техники.

IGBT-модули большой мощности

IGBT-модули большой мощности можно поделить на 3 группы:

  • IHM — модули большой мощности с большенными рабочими токами.
  • PrimePACK — новенькая серия модулей с большенными токами на базе кристаллов IGBT4.
  • IHV — высоковольтные модули большой мощности.

Модули выпускаются в корпусах темного цвета. Размеры корпусов IHW/IHV: 73-140 мм, 130-140 мм, 190-140 мм. Корпуса PrimePACK имеют два размера: 172-89 мм и 250-89 мм. Спектр рабочих токов и напряжений IGBT-модулей большой мощности приведен в таблице 5.

Таблица 5. IGBT-модули большой мощности
Силовые IGBT модули Infineon Technologies

PrimePACK — это новенькая концепция IGBT-модулей большой мощности на базе последнего поколения кристаллов IGBT4.

Улучшенный конструктив, в каком IGBT-кристаллы располагаются поближе к точкам крепления подложки винтами к теплостоку, дает понижение термического сопротивления меж подложкой и теплостоком и дополнительно понижает на 60% (Lпараз = 10 нГ для PrimePACK3) внутреннюю паразитную индуктивность по сопоставлению со стандартными модулями. Уменьшение паразитной индуктивности принципиально для увеличения стойкости к импульсам перенапряжения. Особая топология разводки улучшает рассредотачивание тепла, что дает в итоге низкое термическое сопротивление модуля в целом. В итоге предельная рабочая температура модуля составляет +150 °C, что значительно превосходит +125 °C модулей предшественников. Это также позволило компании Infineon установить нижнюю границу температуры хранения модулей в –50 °C заместо –40 °C. Внедрение новых IGBT-модулей в массивных преобразователях позволит прирастить номинальные токи приблизительно на 20% при том же оборотном напряжении либо таких же размерах модуля, или рассеять такую же мощность в модулях сравнимо наименьшего размера. Выпускается два типа корпусов PrimePACK, отличающихся размерами: PrimePACK2 и PrimePACK3. Модули PrimePACK оптимизированы для внедрения в составе конструкций, где IGBT-модули для роста рабочих токов соединяются параллельно. В данном случае для соединения одноименных по выводам модулей довольно прямых непересекающихся шин.

Заключение

Производственная программка IGBT-модулей Infineon Technologies в текущее время насчитывает более 400 наименований модулей. Выпускаются модули с рабочими токами от 10-ов ампер до 3600 А и рабочими напряжениями от 600 до 6500 В. Для роста нужной мощности IGBT-модули допускают параллельное соединение.

Разработка и серийное освоение IGBT-кристаллов на базе универсальной технологии Infineon Trench FS4 (IGBT4) позволили повысить рабочую температуру кристалла до 150 °С, повысить частоты переключения, уменьшить размеры модулей, повысить их надежность.

Серийно делается новенькая серия IGBT-модулей большой мощности на базе кристаллов IGBT4 под заглавием PrimePACK c рабочим напряжениями 1200 и 1700 В на токи до 1400 А с топологией полумост.

Новенькая разработка производства кристаллов IGBT4 все обширнее употребляется в производстве IGBT-модулей Infineon всех серий.

Infineon производит также сборки IGBT-транзисторов под заглавием PrimeSTACK. Они представляют собой законченную конструкцию, состоящую из 1-го либо нескольких IGBT-модулей, платы драйвера, радиатора с воздушным либо водяным остыванием. Сборки PrimeSTACK выпускаются на рабочие напряжения 1200 и 1700 В и токи до 1600 А.