CC BY
53Пол НЬЮМАН Перевод: Андрей КОЛПАКОВ
Требование повышения эффективности работы преобразовательной техники касается как производителей, так и потребителей электроэнергии. Быстрый и динамичный рост рынка ветроэнергетики сопровождается постоянным увеличением мощности вводимых в эксплуатацию установок. Токовые нагрузки подобных систем достигли уровня, который не может быть обеспечен низковольтными устройствами. Все современные ветрогенераторы работают в средневольтном диапазоне напряжений (в англоязычной литературе MV — Medium Voltage), что создает дополнительные трудности для разработчиков электроники.
В ряде регионов, например Германии и Испании, отмечается активный ввод в эксплуатацию солнечных энергетических термальных станций. Для таких специфических применений, как солнечные энергетические установки, требуется предельно высокая отдача энергии. Силовые ключи конвертора должны обладать очень низким тепловым сопротивлением, обеспечивающим минимальный
Рис. 1. БЮМ — первый в мире ЮВТ-модуль полностью прижимной конструкции для построения тяговых электроприводов мощностью 22—50 кВт
Эффективность преобразования
и совершенствование технологий силовых модулей
Современный рынок силовой электроники требует постоянного снижения стоимости и габаритных размеров преобразователей. Для успешного решения этих задач необходимо повышать эффективность работы силовых ключей. Кроме того, в наши дни ни одна электронная система не может считаться конкурентоспособной, если она не обеспечивает высоких экологических показателей.
нагрев чипов, высокую плотность тока и максимальную эффективность использования солнечного кремния.
Примером наиболее сложных устройств с точки зрения преобразования энергии являются тяговые установки электрических транспортных средств: для надежной работы приводов электро- и гибридомобилей требуются высочайшие показатели КПД инверторов. Создание силовых модулей (рис. 1), полностью отвечающих современным запросам рынка, немыслимо без использования принципиально новых технологий, материалов, подходов к способам проектирования.
Теоретически возможно создать для любого применения специализированный интегральный силовой модуль, содержащий силовые каскады и схему управления. Исследования рынка приводов показывают, что менее 8% моторов, находящихся в эксплуатации, управляются электроприводом. Известно, что применение частотно-регулируемого привода (ЧРП) позволяет повысить эффективность работы двигателя почти на 30%. Таким образом, только на этом примере мы видим колоссальные возможности для роста рынка силовой электроники.
Для того чтобы достигнуть максимального уровня энергосбережения, необходимо соединить в одном блоке силовые модули с минимальным уровнем потерь, высокоэффективную систему охлаждения и оптимальную схему управления. Большой эффект может дать применение режимов «мягкого переключения», использование резонансных конверторов, переход на более высокие частоты коммутации, что позволит, соответственно, снизить габариты, вес и стоимость сглаживающих фильтров.
Рынок требует непрерывного улучшения качества электроэнергии и повышения уровня электромагнитной совместимости, а со-
временные стандарты и директивы делают эти условия все более жесткими и трудновыполнимыми. Все упомянутые требования должны быть выполнены, несмотря на то, что производители и так вкладывают максимальные средства в совершенствование технологий силовых полупроводников. Лучшим способом решения данной проблемы является разработка базовых универсальных масштабируемых платформ, обеспечивающих как наращивание мощности простыми средствами, так и все необходимые качественные показатели.
Для того чтобы управляющий контроллер выполнял свои функции, должна быть обеспечена соответствующая обратная связь в реальном масштабе времени. Необходима информация о реальной температуре кремниевых чипов, а также токах и напряжениях инвертора, то есть силовой модуль должен содержать набор интегральных датчиков. Желательно также, чтобы сигналы этих сенсоров были электрически изолированными.
Оптимизация структуры силовых модулей, обеспечение их надежной работы немыслимы без моделирования происходящих в них процессов выделения и распространения тепла. Корректно выполненный компьютерный анализ позволяет учесть важнейшие «вторичные» тепловые процессы и их комбинации: перекрестный нагрев, распределение термальных контуров, краевые эффекты.
Разработка конструкции корпуса мощного ключевого элемента является не менее важным этапом проектирования. Сложность и ответственность его растет с увеличением степени интеграции и плотности мощности, что требует повышения эффективности охлаждающей системы.
Развитие полупроводниковых технологий идет по пути совершенствования тонкопленочных структур, обеспечивающих меньшие потери переключения и более высокую ско-
Рис. 2. Увеличение плотности тока IGBT-кристаллов с рабочим напряжением 1200 В (Tj = Tj max, Tc = 80 °C)
рость коммутации. Повышение токовых возможностей IGBT-чипов с напряжением 1200 В за последние 25 лет показано на рис. 2. Следует отметить, что с появлением третьего поколения IGBT плотность тока выросла сразу на 50%. Этих показателей удалось добиться благодаря существенному снижению толщины кристаллов, в чем очень заинтересованы производители чипов.
Все возможности тонкопленочных полупроводников не могут быть реализованы при сохранении существующих технологий сборки и корпусирования силовых модулей. Это подтверждается, например, тем фактом, что максимально допустимое время короткого замыкания (КЗ) для чипов Trench IGBT толщиной 70 мкм (рабочее напряжение 600 В) снижено с 10 до 6 мкс. Тонкие кристаллы, имеющие большее тепловое сопротивление, не способны сконцентрировать и эффективно отвести колоссальную энергию, выделяющуюся в них в режиме продолжительного режима КЗ.
Тем не менее полупроводниковые технологии продолжают совершенствоваться, силовые ключи выдерживают все более высокие токовые нагрузки, расширяется их температурный диапазон. Новые поколения IGBT и антипараллельных диодов рассчитаны на предельную рабочую температуру 175 °С, в ближайшее время это значение будет повышено до 200 °С. Однако применение полупроводников при больших токах и в более жестких тепловых режимах неизбежно влияет на их надежность, особенно это касается стойкости к термоциклированию. Преодолеть указанное противоречие можно только с помощью новых методов монтажа силовых чипов.
Выпускаемые в настоящее время силовые модули можно условно разделить по принципиальному конструктивному признаку: наличию или отсутствию базовой платы (baseplate). Медное основание стандартных модулей является несущим элементом конструкции, с помощью которого производится его крепление к радиатору. В так называемых безбазовых (baseless) силовых ключах керамическая изолирующая DBC-подложка устанавливается непосредственно на теплоотводе, а крепежные отверстия находятся
в корпусе. Основные конструктивные особенности «базовых» и «безбазовых» модулей показаны на рис. 3.
Массивная базовая плата (как правило, это медная пластина толщиной 3 мм) позволяет увеличить теплоемкость модуля и способствует лучшему распределению тепла, выделяемого чипами. Благодаря этому динамический тепловой импеданс стандартных силовых ключей в области постоянных времени 0,1-1 с несколько меньше, чем у «безбазовых» компонентов. Модули стандартной конструкции широко используются в различных устройствах, работающих при постоянных или мало меняющихся выходных токах.
Однако именно паяные соединения являются основным источником отказов силовых ключей в случае, когда нагрузка циклически меняется в широких пределах, что характерно, например, для транспортного привода. Причиной этого является разность коэффициентов теплового расширения (КТР или CTE — Coefficient of Thermal Expansion) сопрягающихся слоев: медного основания, керамической подложки, кремниевых кристаллов, алюминиевых выводов чипов. Периодические колебания температуры и соответствующие изменения линейных размеров элементов конструкции приводят к возникновению термомеханических стрессов, разрушающих структуру контактных слоев.
Наибольшую площадь имеет соединение базовой платы и керамической DBC-подложки (рис. 3а), поэтому его повреждение вследствие усталости паяного соединения чаще всего приводит к выходу из строя силовых ключей. Вероятность разрушения конструкции модуля при воздействии термоциклов растет экспоненциально с увеличением рабочей температуры. Существует эмпирическое соотношение, в соответствии с которым стойкость к термоциклиро-ванию уменьшается вдвое с ростом температуры на 20 °С.
Ряд производителей решают данную проблему, используя в модулях, предназначенных для транспортных применений, композитные материалы (AlSiC или CuMo), которые гораздо лучше меди согласованы с керамикой по КТР. Однако недостатком композитов является худшая теплопроводность и гораздо более высокая стоимость, что ограничивает их массовое применение.
Практически полностью решить проблему, связанную с разрушением соединительного слоя медного основания и керамической подложки, позволяет технология прижимного контакта (pressure-contact technology), разработанная компанией SEMIKRON в начале 90-х годов и применяемая при производстве модулей семейств SKiiP, SKiM, MiniSKiiP, SEMITOP. На рис. 3б показана структура слоев моду-
10 000
1000
dT, °С
Рис. 4. Зависимость количества термоциклов до отказа N от градиента температуры (ЗТ для стандартного модуля и модуля прижимного типа
ля прижимной конструкции: базовая плата в этом случае отсутствует, а керамическая DBC-подложка с кристаллами IGBT и диодов устанавливается непосредственно на теплоотвод. Специальная прижимная рамка создает давление в местах наибольшего локального тепловыделения, обеспечивая равномерный отвод тепла на радиатор.
При прижимном способе соединения воздействие термоциклов приводит к тому что керамическое основание модуля «плавает» по слою теплопроводящей пасты относительно теплоотвода, не испытывая термомеханических напряжений. В одинаковых условиях эксплуатации это позволяет примерно на порядок повысить стойкость силовых ключей к термоциклированию. Ухудшение качества распределения тепла в модулях прижимного типа компенсируется за счет использования более тонкого слоя теплопроводящей пасты. Рекомендуемая толщина слоя для модулей стандартной конструкции составляет 50-100 мкм, для компонентов прижимного типа, отличающихся более высокой равномерностью и плоскостностью керамического основания, — 20-60 мкм. Естественно, что для обеспечения необходимых тепловых характеристик к качеству обработки поверхности радиатора в последнем случае предъявляются более высокие требования.
Следующим по интенсивности отказов соединением является паяный слой между кремниевыми чипами и керамической DBC платой. Кремний гораздо лучше согласован с керамикой по КТР, чем медь, однако, как показывают испытания, именно отслоение кристаллов от изолирующей подложки является основной причиной выхода из строя модулей прижимного типа. Решить данную проблему позволяет технология низкотемпературного спекания (low temperature sintering technology), впервые в мире примененная SEMIKRON при производстве интеллектуального модуля привода электромобиля
Рис. 5. вЕМ|Х — новый конструктивный стандарт ЮВТ
и выпрямительных модулей
ЭКА1. При использовании данного метода кремниевые чипы соединяются с подложкой посредством спекания порошка из наночастиц серебра. Технология спекания была использована при проектировании новейших модулей для транспортных применений ЭИМ 63/93, что позволило примерно в пять раз повысить стойкость к термоциклирова-нию (рис. 4).
Большое значение для повышения эффективности применения силового ключа имеет симметрия токонесущих цепей. Корректно выполненная топология позволяет получить равномерное распределение токов между параллельно соединенными чипами и низкие потери в коммутационных режимах. Уменьшение паразитных индуктивностей силовых шин внутри модуля обеспечивает минимальный уровень выбросов напряжения при переключении и хорошую электромагнитную совместимость.
Новые модули семейства ЭЕМ1Х (рис. 5) сочетают в себе хорошие электрические и тепловые характеристики и удачный конструктив. Первая генерация этих компонентов была выпущена на рынок в 2003 году, и они уже
стали новым промышленным стандартом благодаря своим очевидным потребительским качествам.
Развитие силовой электроники сопровождается внедрением новых технологий полупроводников, дающих возможность снизить уровень потерь, уменьшить тепловое сопротивление, расширить частотный диапазон. Одним из наиболее перспективных направлений является применение карбида кремния (ЭЮ) для производства быстрых диодов и МОЭРЕТ-транзисторов, такие элементы уже находят применение в импульсных источниках питания. Применение Э^-техно-логий позволяет поднять рабочую температуру чипов до 200 °С и выше, однако использование расширенного температурного диапазона ограничено современными возможностями технологий монтажа кристаллов и корпусирования. Быстрые диоды на основе карбида кремния отличаются очень хорошими частотными свойствами и характеристиками управляемости, что позволяет при совместном использовании их с ЮВТ последних поколений повысить КПД инверторов на 20-30%. Однако широкое распространение Э^-технология получит только тогда, когда будут преодолены технологические проблемы, связанные с производством сильноточных компонентов, и снижена их стоимость.
Трудно переоценить значение силовых полупроводников для решения задач выработки, преобразования и распространения энергии. Самые большие перспективы для мощных полупроводниковых ключей открывают бурно растущие рынки альтернативных источников энергии и электротранспорта. Основными направлениями, по которым будет двигаться развитие силовой электроники, являются рост плотности тока, увеличение степени интеграции и эффективности систем охлаждения. Преодоление этих проблем связано с разработкой и внедрением новых технологий, материалов и методов проектирования. ■
