Корзина
24 отзыва
Малогабаритные, изолированные, силовые модули серии SEMITOP
Производители
Контакты
Техносервиспривод
+38044458-47-66офис, факс
+38044366-25-59Силовые полупроводниковые приборы
+38044366-25-17Конденсаторы, дроссели, фильтры и т
+38044366-24-62Приводная техника Danfoss Drives
+38044456-19-57Обслуживание и ремонт преобразовате
відділ
УкраинаКиевпр. Победы 56, оф.33503057
taras.mysak
Карта

Малогабаритные, изолированные, силовые модули серии SEMITOP

Малогабаритные, изолированные, силовые модули серии SEMITOP

Основными требованиями современного рынка силовой электроники являются увеличение плотности мощности, снижение габаритов, уменьшение потерь мощности, расширение температурного диапазона и повышение надежности работы в пиковых режимах. Стремясь выполнить эти требования, производители компонентов вынуждены снижать запас по предельным характеристикам — в первую очередь это касается тепловых режимов работы. Проектирование силовых ключей, предназначенных для работы в экстремальных температурных режимах, требует от разработчиков крайне серьезного исследования происходящих в них тепловых и механических процессов.

Все указанные соображения были учтены при проектировании малогабаритных изолированных силовых модулей серии SEMITOP, производимых итальянским отделением компании SEMIKRON. Внешний вид модулей показан на рис. 1.

Для обеспечения высокой надежности, а также оптимизации механических и тепловых параметров, разработка конструкции SEMITOP производилась с использованием специализированного программного обеспечения методом конечных элементов. Результаты компьютерного анализа были подтверждены в ходе 17 различных типов испытаний и квалификационных тестов, продолжавшихся более 10 тыс. часов.

Для установки на радиатор модулей SEMITOP во всех исполнениях служит один крепежный винт. Равномерное распределение прижимного усилия и хороший отвод тепла обеспечиваются конструкцией корпуса модуля. Оптимальное взаимное расположение силовых кристаллов транзисторов и диодов позволяет получить минимальное значение распределенной индуктивности силовых шин.

Модули SEMITOP не имеют базовой несущей платы, соответственно, отсутствует градиент температуры, создаваемый тепловым сопротивлением Rthcs «корпус- теплоотвод». В основании модуля находится керамическая DCB-плата из оксида алюминия Al2O3, на которой расположены силовые кристаллы IGBT. Прижимная технология SkiiP предусматривает, что керамическое основание располагается непосредственно на радиаторе и тепловая связь с ним осуществляется только с помощью механического прижима. При этом за счет оптимального распределения прижимающего усилия и исключения базовой платы обеспечивается низкое тепловое сопротивление «кристалл — теплосток» и, соответственно, высокое значение плотности тока. Конструкция модулей SEMITOP и направление прижимающего усилия показаны на рис. 2 Для модулей SEMITOP не определяется значение теплового сопротивления «кристалл — корпус» Rthjc, поскольку отсутствует корпус, как теплопроводящий элемент конструкции.

Как показали результаты многочисленных испытаний на воздействие повторяющихся перепадов температуры (термоциклирование), основной прчиной отказов модулей стандартной конструкции является разрушение связи между керамической DCB-платой и медным основанием модуля. Это является следствием существенной разницы в коэффициентах теплового расширения материалов керамики (оксид алюминия или нитрид алюминия) и меди. Исключение базовой платы из конструкции модуля решает эту проблему в принципе, обеспечивая значительное увеличение количества термоциклов, которое может выдержать модуль, не выходя из строя.

В модулях SEMITOP применяются кристаллы Trench 3, NPT Ultra Fast и MOSFET-транзисторов, а в каскадах выпрямителей используются диоды и тиристоры с высоким значением тока перегрузки.

В новейших модулях IGBT SEMITOP начали использоваться кристаллы TRENCH 4 IGBT-транзисторов и кристаллы антипараллельных диодов CAL (Controlled AxialLifetime). Существенное улучшение характеристик IGBT4 было достигнуто благодаря оптимизации основных элементов вертикальной структуры чипа: n-базы, n-Field Stop слоя, предназначенного для повышения напряжения пробоя, и эмиттера. В результате модернизации Trench-технологии удалось снизить суммарное значение потерь в широком диапазоне частот и обеспечить более плавный характер переключения.

Для согласования по статическим и динамическим характеристикам с IGBT фирма SEMIKRON создала четвертое поколение быстрых диодов на основе собственной технологии CAL 4, главными особенностями которой являются плавный характер переключения во всем диапазоне рабочих токов, высокий иммунитет к dI/dt и малый ток обратного восстановления, способствующий минимизации уровня радиопомех.

Модули SEMITOP выпускаются практически во всех известных конфигурациях схем, что позволяет пользователю выбрать для себя элемент с требуемой схемой. Один модуль SEMITOP заменяет от 2 до 12 корпусов ТО. Тип конфигурации элемента включен в его обозначение, возможные варианты приведены ниже:

Тиристорные, диодные модули:
• KQ — однофазный АС-ключ;
• NT — два тиристора с общим анодом;
• TAA — два тиристора;
• TAE — диод и тиристор;
• WT — два однофазных АС-ключа;
• BZ — однофазный полууправляемый мост;
• STA — шесть тиристоров;
• UT — трехфазный АС-ключ;
• DTA — трехфазный диодный мост + последовательный тиристор;
• В/D — однофазный/трехфазный диодный мост;
• DT — трехфазный тиристорный мост;
• DН — трехфазный полууправляемый мост.
• DGL — трехфазный диодный мост + чоппер
• DHL — трехфазный полууправляемый мост + чоппер.
Модули MOSFET:
• MB/MH/MD — полумост/мост/3-фазныймост;
• MHK — мост+ датчик температуры;
• MBBB — три полумоста.
Модули IGBT:
• GB/GH/GD — полумост/мост/3-фазный мост;
• GA — одиночный ключ;
• GBB — два полумоста;
• GAL/GAR — чоппер нижнего/верхнего плеча;
• GARL — чоппер нижнего и верхнего плеча;
• GM — два IGBT-транзистора с общим эмиттером;
• MLI — 3-уровневый инвертор UPS.
Модули CIB (Converter — Inverter — Brake):
• BGD — 1-фазный выпрямитель, 3-фазный инвертор;
• DGD — 3-фазный выпрямитель, 3-фазный инвертор;
• DGDL— 3-фазный выпрямитель, 3-фазный инвертор чоппер.

При сборке модулей SEMITOP допускается два способа монтажа: распайка модулей на печатной плате с последующим креплением к радиатору и установка модулей на радиатор с последующим монтажом на печатную плату. Все модули SEMITOP имеют одинаковую высоту, способ крепления и подключения, что позволяет устанавливать несколько различных модулей на общем теплоотводе, используя для подключения одну печатную плату (см. рис. 3).

Применение модулей с керамическим основанием накладывает особые требования на качество поверхности радиатора. Неравномерность поверхности теплоотвода для обеспечения заданных тепловых характеристик не должна превышать 20 мкм, шероховатость — 6 мкм, а толщина слоя теплопроводящей пасты должна составлять 20…25 мкм для модулей SEMITOP 1, 30…35 мкм для SEMITOP 2, 40…55 мкм для SEMITOP 3 и 4.

Наиболее интересными для разработчиков конфигурациями модулей являются схема CIB (Converter, Inverter, Brake) и MLI (3-уровневый инвертор UPS). Схема CIB объединяет выпрямительный мост, 3-фазный инвертор и каскад торможения и является базовой для построения привода. Специально для данного применения фирмой SEMIKRON выпущено новое поколение модулей SEMITOP CIB, имеющих следующие основные отличия от серийно выпускаемых изделий:

• допустимая плотность тока повышена на 50%;
• габариты снижены на 34%;
• повышена стойкость к термоциклированию;
• снижено тепловое сопротивление;
• уменьшено значение распределенной индуктивности шин за счет оптимизации топологии.

Основные технические характеристики модулей нового поколения приведены в таблице1.

Таблица 1. Основные характеристики модулей CIB SEMITOP [VCES = 1200V — IGBT Trench4]

Тип модуля IC @ TS=25°C, Tjmax (A) ICnom (A) VCE (sat) @ Tj=25°C typ. (V) Eon @ Tj (mJ) Eoff @ Tj (mJ) Rth (j-s), K/W Тип модуля
SK10DGDL12T4ET 17 8 1,85 0,41 0,75 2,2 SEMITOP3
SK15DGDL12T4ET 27 15 1,85 0,82 1,52 1,65 SEMITOP3
SK25DGDL12T4T 45 25 1,85 2,27 2,70 0,96 SEMITOP4
SK35DGDL12T4T 58 35 1,85 3,27 3,30 0,80 SEMITOP4
SK50DGDL12T4T 75 50 1,85 8,30 5,00 0,65 SEMITOP4

Разработка конструктива SEMITOP 4 позволила SEMIKRON расширить диапазон допустимых мощностей для данного семейства IGBT до 22 кВт, что более чем в 3 раза превышает возможности типоразмера SEMITOP 3 в приводных применениях. Стоимость новых компонентов по сравнению с модулями, имеющими аналогичные характеристики, снижена на 20%. Этому способствовало в первую очередь то, что при производстве новых изделий используются отработанные и проверенные технологические процессы. Единственное конструктивное отличие новых модулей состоит в том, что в них применен многослойный монтаж: дополнительные переходные платы упрощают топологию соединений и способствуют снижению паразитных индуктивностей. При этом поверхность основной DCB-платы более эффективно используется для размещения силовых шин и отдачи тепла на радиатор.

Схема MLI, предназначена для применения в трехуровневых инверторах. Наиболее часто подобная схема используется в источниках бесперебойного питания (UPS) мощностью 5–40 кВт, и ее популярность для данного применения неуклонно растет. Основные характеристики и схема модулей MLI SEMITOP приведены в таблице 2.

Таблица 2. Основные характеристики 3-уровневого инвертора UPS [VCES = 600V — IGBT Trench 3]
Тип модуля IC @ TS=25°C, (A) ICnom (A) VCE (sat) @ Tj=25°C typ. (V) Eon @ Tj (mJ) Eoff @ Tj (mJ) Rth (j-s), K/W Тип модуля
SK20MLI066 30 20 1,45 0.40 1.07 1.95 SEMITOP3
SK30MLI066 40 30 1,45 0.97 1.77 1.65 SEMITOP3
SK50MLI066 60 50 1,45 1.46 2.02 1.11 SEMITOP3
SK75MLI066T 83 75 1,45 1.70 2.80 0.75 SEMITOP4
SK100MLI066T 105 100 1,45 2.50 4.20 0.65 SEMITOP4
SK150MLI066T 151 150 1,45 2.70 5.90 0.55 SEMITOP4

Принцип работы многоуровневой схемы довольно прост: IGBT модули соединяются последовательно, за счет этого напряжение питания устройства может быть выше рабочего напряжения отдельных ключей. Данная концепция, впервые использованная в высоковольтных преобразователях высокой мощности, позволяет использовать стандартные низковольтные IGBT в устройствах с напряжением питания, достигающим десятков киловольт. Применение многоуровневых инверторов является наиболее простым путем повышения эффективности DC/АС преобразования. Использование подобных схем позволяет формировать близкое к синусоидальному выходное напряжение с низким уровнем гармонических искажений. Отсюда следуют их два очевидных преимущества: частота переключений и уровень гармонических потерь получаются гораздо ниже, чем у традиционных двухуровневых преобразователей, следовательно, снижаются динамические потери и отпадает необходимость в использовании дорогостоящих и громоздких выходных фильтров.

Разработка нового элемента конфигурации MLI, предназначенного для использования в трехуровневых преобразователях, позволяет существенно упростить и ускорить процесс разработки источников бесперебойного питания.

Основными преимуществами трехуровневой схемы по сравнению с традиционными решениями являются пониженный уровень потерь, соответственно меньшая нагрузка на
силовые ключи, близкая к синусоидальной форма выходного сигнала, позволяющая использовать небольшие выходные фильтры. Меньшее значение рассеиваемой мощности в свою очередь означает пониженные требования к системе охлаждения и больший срок службы силовых ключей. Снижение размеров радиаторов и фильтров позволяет создавать компактные UPS, отличающиеся высокими техническими и экономическими показателями.

Заключение

Несомненным преимуществом интегральных модулей является то, что элементы в них соединены в определенной конфигурации — это позволяет упростить сборку, обеспечивает минимальное значение распределенных индуктивностей и, следовательно, — уменьшение переходных перенапряжений при переключении. Особенно наглядно это проявляется в отношении малогабаритных модулей SEMITOP, применение которых вместо дискретных корпусов ТО позволяет в 2–4 раза увеличить мощность преобразовательного устройства при аналогичных габаритах силового каскада. Применение малогабаритных изолированных модулей серии SEMITOP вместо дискретных компонентов в корпусах ТО и IMS позволяет:

• упростить процесс монтажа готового изделия и снизить его стоимость;
• обеспечить меньшее на 18–30% значение теплового сопротивления;
• снизить габариты преобразовательного устройства.

Модули SEMITOP широко применяются в устройствах, выпускаемых компаниями Segway, LG Electronics, Alcatel. По данным исследований рынка силовых полупроводниковых компонентов «The worldwide market for Power Semiconductors», проведенных британским исследовательским институтом IMS (British Market Research Institute), в области производства миниатюрных модулей доля рынка SEMIKRON составляет 30% в мире и более 46% — в Европе. Существенным достоинством модулей SEMITOP является необычайно высокое количество конфигураций, перекрывающих практически все потребности разработчиков. Снижение издержек при серийном производстве, упрощение процесса изготовления и более высокие показатели надежности, несомненно, стоят того, чтобы в конечном итоге отдать предпочтение интегральным модулям.

Предыдущие статьи