Малогабаритні, ізольовані, силові модулі серії SEMITOP

Основними вимогами сучасного ринку силової електроніки є збільшення щільності потужності, зниження габаритів, зменшення втрат потужності, розширення температурного діапазону і підвищення надійності роботи в пікових режимах. Прагнучи виконати ці вимоги, виробники компонентів змушені знижувати запас за граничними характеристиками — у першу чергу це стосується теплових режимів роботи. Проектування силових ключів, призначених для роботи в екстремальних температурних режимах, вимагає від розробників вкрай серйозного дослідження відбуваються в них теплових і механічних процесів.

Усі зазначені міркування були враховані при проектуванні малогабаритних ізольованих силових модулів серії SEMITOP, вироблених італійським відділенням компанії SEMIKRON. Зовнішній вигляд модулів показано на рис. 1.

Для забезпечення високої надійності, а також оптимізації механічних і теплових параметрів, розробка конструкції SEMITOP проводилася з використанням спеціалізованого програмного забезпечення методом кінцевих елементів. Результати комп'ютерного аналізу були підтверджені в ході 17 різних типів випробувань і кваліфікаційних тестів, що тривали понад 10 тис. годин.

Для установки на радіатор модулів SEMITOP у всіх виконаннях служить один кріпильний гвинт. Рівномірний розподіл притискного зусилля і добрий відвід тепла забезпечуються конструкцією корпусу модуля. Оптимальне взаємне розташування силових кристалів транзисторів і діодів дозволяє отримати мінімальне значення розподіленої індуктивності силових шин.

Модулі SEMITOP не мають базової несучої плати, відповідно, відсутня градієнт температури, створюваний тепловим опором Rthcs «корпус - тепловідвід». В основі модуля знаходиться керамічна DCB-плата з оксиду алюмінію Al2O3, на якій розташовані силові кристали IGBT. Притискна технологія SkiiP передбачає, що керамічне підстава розташовується безпосередньо на радіаторі і теплова зв'язок з ним здійснюється тільки з допомогою механічного притиску. При цьому за рахунок оптимального розподілу притискає зусилля і виключення базової плати забезпечується низький тепловий опір кристал — теплосток» і, відповідно, високе значення щільності струму. Конструкція модулів SEMITOP і напрямок притискає зусилля показано на рис. 2 Для модулів SEMITOP не визначається значення теплового опору «кристал — корпус» Rthjc, оскільки відсутній корпус, як теплопровідні елемент конструкції.

Як показали результати численних випробувань на вплив повторюваних перепадів температури (термоциклювання), основний прчиной відмов модулів стандартної конструкції є руйнування зв'язку між керамічної DCB-платою і мідною основою модуля. Це є наслідком істотної різниці в коефіцієнтах теплового розширення матеріалів кераміки (оксид алюмінію або нітрид алюмінію) і міді. Виняток базової плати з конструкції модуля вирішує цю проблему в принципі, забезпечуючи значне збільшення кількості термоциклов, яке може витримати модуль, не виходячи з ладу.

У модулях SEMITOP застосовуються кристали Trench 3, NPT Ultra Fast і MOSFET-транзисторів, а в каскадах випрямлячів використовуються діоди і тиристори з високим значенням струму перевантаження.

У новітніх модулі IGBT SEMITOP почали використовуватися кристали TRENCH 4 IGBT-транзисторів і кристали антипараллельных діодів CAL (Controlled AxialLifetime). Істотне поліпшення характеристик IGBT4 було досягнуто завдяки оптимізації основних елементів вертикальної структури чіпа: n-бази, n-Field Stop шару, призначеного для підвищення напруги пробою, і емітера. В результаті модернізації Trench-технології вдалося знизити сумарне значення втрат в широкому діапазоні частот і забезпечити більш плавний характер переключення.

Для узгодження по статичним і динамічним характеристикам з IGBT фірма SEMIKRON створила четверте покоління швидких діодів на основі власної технології CAL 4, головними особливостями якої є плавний характер перемикання у всьому діапазоні робочих струмів, високий імунітет до dI/dt і малий струм зворотного відновлення, сприяє мінімізації рівня радіоперешкод.

Модулі SEMITOP випускаються практично у всіх відомих конфігураціях схем, що дозволяє користувачеві вибрати для себе елемент із заданою схемою. Один модуль SEMITOP замінює від 2 до 12 корпусів ТО. Тип конфігурації елемента включений в його позначення, можливі варіанти наведені нижче:

Тиристорні, діодні модулі:
• KQ — однофазний АС-ключ;
• NT — два тиристори з загальним анодом;
• TAA — два тиристори;
• TAE — діод і тиристор;
• WT — два однофазних АС-ключа;
• BZ — однофазний полууправляемый міст;
• STA — шість тиристорів;
• UT — трифазний АС-ключ;
• DTA — трифазний діодний міст + послідовний тиристор;
• В/D — однофазний/трифазний діодний міст;
• DT — трифазний тиристорний міст;
• DН — трифазний полууправляемый міст.
• DGL — трифазний діодний міст + чоппер
• DHL — трифазний полууправляемый міст + чоппер.
Модулі MOSFET:
• MB/MH/MD — напівміст/міст/3-фазныймост;
• MHK — міст+ датчик температури;
• MBBB — три напівмоста.
Модулі IGBT:
• GB/GH/GD — напівміст/міст/3-фазний міст;
• GA — одиночний ключ;
• GBB — два напівмоста;
• GAL/GAR — чоппер нижнього/верхнього плеча;
• GARL — чоппер нижнього і верхнього плеча;
• GM — два IGBT-транзистора із загальним емітером;
• MLI — 3-рівневий інвертор UPS.
Модулі CIB (Converter — Inverter — Brake):
• BGD — 1-фазний випрямляч, 3-фазний інвертор;
• DGD — 3-фазний випрямляч, 3-фазний інвертор;
• DGDL— 3-фазний випрямляч, 3-фазний інвертор чоппер.

При складанні модулів SEMITOP допускається два способи монтажу: розпаювання модулів на друкованій платі з подальшим кріпленням до радіатора і установка модулів на радіатор з подальшим монтажем на друковану плату. Всі модулі SEMITOP мають однакову висоту, спосіб кріплення і підключення, що дозволяє встановлювати кілька різних модулів на загальному тепловідвід, використовуючи для підключення одну друковану плату (див. рис. 3).

Застосування модулів з керамічним підставою накладає особливі вимоги на якість поверхні радіатора. Нерівномірність поверхні тепловіддачі для забезпечення заданих теплових характеристик не повинна перевищувати 20 мкм, шорсткість — 6 мкм, а товщина шару теплопроводящей пасти повинна становити 20...25 мкм для модулів SEMITOP 1, 30...35 мкм для SEMITOP 2, 40...55 мкм для SEMITOP 3 і 4.

Найбільш цікавими для розробників конфігураціями модулів є схема CIB (Converter, Inverter, Brake) і MLI (3-рівневий інвертор UPS). Схема CIB об'єднує випрямний міст, 3-фазний інвертор і каскад гальмування і є базовою для побудови приводу. Спеціально для даного застосування фірмою SEMIKRON випущено нове покоління модулів SEMITOP CIB, мають наступні основні відмінності від серійно випускаються виробів:

• допустима щільність струму підвищена на 50%;
• габарити знижені на 34%;
• підвищена стійкість до термоциклювання;
• знижено тепловий опір;
• зменшено значення розподіленої індуктивності шин за рахунок оптимізації топології.

Основні технічні характеристики модулів нового покоління наведені в таблиці " table1.

Таблиця 1. Основні характеристики модулів 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

Розробка конструктиву SEMITOP 4 дозволила SEMIKRON розширити діапазон допустимих потужностей для даного сімейства IGBT до 22 кВт, що більше ніж в 3 рази перевищує можливості типорозміру SEMITOP 3 в приводних застосуваннях. Вартість нових компонентів у порівнянні з модулями, що мають аналогічні характеристики, знижена на 20%. Цьому сприяло насамперед те, що при виробництві нових виробів використовуються відпрацьовані і перевірені технологічні процеси. Єдина конструктивна відмінність нових модулів полягає в тому, що в них застосовано багатошаровий монтаж: додаткові перехідні плати спрощують топологію з'єднань і сприяють зниженню паразитних індуктивностей. При цьому поверхня основної DCB-плати більше ефективно використовується для розміщення силових шин і віддачі тепла на радіатор.

Схема MLI, призначена для застосування у трирівневих інверторах. Найбільш часто подібна схема використовується в джерелах безперебійного живлення (UPS) потужністю 5-40 кВт, і її популярність для даного застосування неухильно зростає. Основні характеристики і схема модулів MLI SEMITOP наведені в таблиці 2.

Таблиця 2. Основні характеристики 3-рівневого інвертора UPS [VCES = 600V — Trench IGBT 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 роботи багаторівневої схеми досить простий: IGBT модулі з'єднуються послідовно, за рахунок цього напруга живлення пристрою може бути вище робочого напруги окремих ключів. Дана концепція, вперше використана в високовольтних перетворювачах високої потужності, що дозволяє використовувати стандартні низьковольтні IGBT в пристроях з напругою живлення, що досягає десятків кіловольт. Застосування багаторівневих інверторів є найбільш простим шляхом підвищення ефективності DC/АС перетворення. Використання подібних схем дозволяє формувати близьку до синусоїдальної вихідна напруга з низьким рівнем гармонійних спотворень. Звідси випливають два очевидні переваги: частота перемикань і рівень гармонійних втрат виходять набагато нижче, ніж у традиційних дворівневих перетворювачів, отже, знижуються динамічні втрати і відпадає необхідність у використанні дорогих і громіздких вихідних фільтрів.

Розробка нового елемента конфігурації MLI, призначеного для використання у трирівневих перетворювачах, дозволяє істотно спростити і прискорити процес розробки джерел безперебійного живлення.

Основними перевагами трирівневої схеми в порівнянні з традиційними рішеннями є знижений рівень втрат, відповідно менша навантаження на
силові ключі, близька до синусоїдальної форма вихідного сигналу, що дозволяє використовувати невеликі вихідні фільтри. Менше значення потужності, що розсіюється в свою чергу означає знижені вимоги до системи охолодження і більший термін служби силових ключів. Зниження розмірів радіаторів і фільтрів дозволяє створювати компактні UPS, що відрізняються високими технічними і економічними показниками.

Висновок

Безперечною перевагою інтегральних модулів є те, що елементи в них з'єднані в певній конфігурації — це дозволяє спростити складання, забезпечує мінімальне значення розподілених індуктивностей і, отже, зменшення перехідних перенапруг при перемиканні. Особливо наочно це проявляється у відношенні малогабаритних модулів SEMITOP, застосування яких замість дискретних корпусів дозволяє в 2-4 рази збільшити потужність перетворювального пристрою при аналогічних габаритах силового каскаду. Застосування малогабаритних ізольованих модулів серії SEMITOP замість дискретних компонентів в корпусах ТО і IMS дозволяє:

• спростити процес монтажу готового виробу і знизити його вартість;
• забезпечити менше на 18-30% значення теплового опору;
• знизити габарити перетворювального пристрою.

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. Зниження витрат при серійному виробництві, спрощення процесу виготовлення і більш високі показники надійності, безсумнівно, варті того, щоб в кінцевому підсумку віддати перевагу інтегральним модулів.