CC BY
133IGBT-модули Dynex
IGBT-модули Dynex на базе планарной технологии позволяют уменьшить прямые потери, улучшить шумовые характеристики, обеспечить более Дмитрий АКБАРОВ эффективный теплоотвод и, таким образом, повысить долговечность
[email protected] изделия и его термическую прочность.
Более 50 лет назад в Линкольне (Великобритания) была основана фирма AEI Semiconductors Ltd. В то время это была одна из немногих компаний, занимающихся силовыми компонентами. Впоследствии она изменила название на Dynex и расширила свое производство, приобретя подразделения и технологии таких известных компаний, как GEC Plessey, SGS-Thomson, Alstom и Marconi Electronic Devices Ltd. (MEDL).
Сегодня штаб-квартира Dynex Semiconductor (w ww.dynexsemi.c om), основное производство, исследовательский центр, службы продаж и маркетинга расположены в Линкольне. Производственные площади, приобретенные у компании Mitel в 2000 году, имеют чистые помещения и самое современное оборудование, отвечающее жестким требованиям производства силовых полупроводников.
Продукция
Биполярные полупроводники
Dynex производит широкий диапазон тиристоров, выпрямительных диодов, запираемых по затвору тиристоров, импульсных тиристоров и диодов с быстрым восстановлением с рабочими напряжениями от 1200 до 6500 В и токами от сотен до 11 000 А. Дополнительно Dynex оказывает содействие в решении индивидуальных задач потребителей по конструктивному исполнению узлов и отводу тепла.
Биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT)
Dynex производит различные IGBT в виде кристаллов и модулей. Семейство модулей включает изделия с параметрами рабочего напряжения от 600 до 6500 В и тока до 3600 А. Эти компоненты отвечают самым строгим требованиям качества. Dynex имеет замкнутый цикл производства, начиная от разработки технологий IGBT в собственном инженерном центре и заканчивая контролем качества модулей. Все IGBT доступны в виде кристаллов. Dynex — независимый поставщик IGBT-технологий мирового масштаба для приложений с высокими требованиями к надежности, таких как:
• системы питания и управления энергией: импульсные источники питания, источники бесперебойного питания, системы управления двигателями, сварочное оборудование, инверторы телекоммуникационных систем;
• автомобильная электроника: системы зажигания, сервоприводы, устройства зажигания фар;
• системы освещения: регуляторы, высокочастотные балластные сопротивления;
• бытовая техника: стиральные машины, пылесосы, микроволновые печи, устройства обработки пищевых продуктов, обогреватели.
Компоненты IGBT Dynex для таких применений отвечают следующим требованиям:
• низкие статические и динамические потери (на низких частотах по этому показателю они превосходят биполярные и МОП ПТ);
• достаточно широкая область безопасной работы, то есть область работы транзистора в «жестком» (неблагоприятном) режиме ключа при максимальных значениях тока, напряжения и длительности импульса;
• высокая стойкость к короткому замыканию;
• устойчивость к большим импульсным токам;
• малые емкости и заряды затворов;
• возможность параллельного включения;
• высокие частоты переключения (до 100 кГц);
• расширенный диапазон области безопасной работы;
• не требуют отрицательного смещения на затворе для устойчивого запирания;
• малая величина остаточного напряжения (не более 2,5 В);
• способность выдерживать высокие значения di/dt и dv/dt.
Вместе с тем, поскольку потери мощности силового блока любого оборудования в заданных условиях работы в первую очередь зависят от общей переключаемой энергии и напряжения насыщения, то для минимизации мощности, рассеиваемой оборудованием, его разработчик должен правильно выбрать соотношение между этими двумя основными характеристиками, задаваемыми структурой транзистора. Поэтому Dynex вы-
пускает многочисленные специализированные семейства, рассчитанные на определенные значения рабочей частоты и напряжения насыщения.
Основу IGBT-модулей составляют IGBT-транзисторы. Модули имеют высокую надежность, высокое быстродействие и удобство в эксплуатации.
IGBT-модули Dynex по внутренней электрической схеме могут представлять собой: единичный IGBT (single); двойной модуль, где два IGBT соединены последовательно — полумост (half-bridge); прерыватель (chopper), в котором единичный IGBT последовательно соединен с диодом. Все приборы имеют встроенный обратный или инверсный (антипарал-лельный) быстровосстанавливающийся диод (Fast Recovery Diod-FRD) с «мягкими» характеристиками обратного восстановления и обладают следующими особенностями:
• высокой стойкостью к токам короткого замыкания;
• очень низким остаточным током с низкой температурной зависимостью;
• прямоугольной областью безопасной работы;
• низкой внутренней индуктивностью модулей;
• улучшенной электромагнитной совместимостью;
• высоким значением изоляции (до 10,2 кВ);
• высокой надежностью, улучшенной термоциклоустойчивостью;
• 100%-ным заводским контролем в статическом и динамическом режиме.
Растущие требования одновременного повышения мощности и эффективности преобразовательных устройств требуют постоянного совершенствования технологий производства IGBT-модулей. Компания Dynex делает ставку на два типа IGBT — Trench и FS SPT (Field Stop Soft Punch Through). Новые поколения модулей обеспечивают существенное снижение потерь по сравнению со стандартными компонентами, производимыми по наиболее распространенной в настоящее время технологии NPT (Non Punch Through). Для того чтобы использование новых типов IGBT дало наибольшие преимущества, параметры антипараллельных диодов в модулях Dynex согласованы с характерис-
тиками транзисторов. Технология производства этих диодов основана на оригинальном эпитаксиальном процессе, обеспечивающем повышенную надежность при работе с высокими температурами, высокую скорость переключения и мягкое восстановление для минимизации потерь переключения. В результате применения новых технологий были созданы модули с улучшенными характеристиками. К ним относятся:
• пониженное напряжение насыщения VGE(sat), сокращающее прямые потери;
• улучшенные шумовые характеристики — пониженный уровень шумов коммутации и повышенная скорость переключения;
• низкое тепловое сопротивление, обеспечивающее более эффективный теплоотвод;
• повышенная долговечность и термическая прочность.
C целью дальнейшего снижения габаритов и массы, повышения надежности, энерго-и термоциклоустойчивости, уменьшения теплового сопротивления и стоимости IGBT-модулей Dynex интенсивно развивает применение новых материалов и технологий сборки на тонкие и керамические подложки (AlN) в корпусах с малоиндуктивными выводами, разработкой специальных конструкций силовых модулей с использованием матричных композиционных материалов (MMC-Metal Matrix Composite), имеющих хорошие теплопроводящие свойства и низкие, согласованные с кремнием и керамикой, коэффициенты теплового расширения (КТР). Применение матричных композиционных материалов открывает новые перспективы в создании высокомощных, компактных, прочных, надежных силовых модулей.
При разработке инверторов использование приборов со встроенными обратными быстродействующими диодами становится особенно предпочтительным. В этом случае требуемое число силовых полупроводниковых компонентов уменьшается на 50% по сравнению с использованием IGBT и диодов в виде отдельных элементов. Перекрываемые области диапазонов токов, где использование дискретных приборов экономически предпочтительнее применения сильноточных модулей, могут быть расширены за счет параллельного соединения отдельных приборов.
IGBT-модули могут быть соединены параллельно для создания сильноточных переключателей. Однако успешное запараллеливание IGBT-модулей требует определенной осторожности. В зависимости от области применения системы проектировщик должен предусматривать множество факторов, гарантирующих надежность работы. К этим факторам относятся характеристики модуля, компоновка и конструкция платы управления, а также ее расположение.
На первом этапе необходимо определить оптимальное число модулей, которые будут соединены параллельно для получения необходимого значения тока. Любое решение
должно гарантировать нахождение рабочего режима отдельного модуля в пределах зоны безопасной работы. Из-за различий характеристик модулей необходимо учитывать, что при параллельном включении N однотипных модулей суммарный ток увеличится менее чем в N раз, так как необходимо облегчить режим работы каждого модуля.
Параллельное включение IGBT-модулей
При параллельном включении двух или более ЮВТ-модулей дисбаланс токов происходит из-за различия в динамических и статических характеристиках отдельных модулей. Одним из основных недостатков ЮВТ является отрицательный температурный коэффициент (ТК) по напряжению насыщения УСЕ(5а(), что нарушает баланс токов при параллельном соединении транзисторов. Через модуль с наименьшим напряжением насыщения УСЕ(5й) протекает наибольший ток. Статический режим
Снижение эффективности по току при параллельном включении известно как фактор снижения тока. Он определяется как:
5 = 1- 1т/(пр х 1М). (1)
Здесь 5 — фактор снижения тока, 1Т — ток в общей цепи, поддерживаемый параллельно включенными модулями, 1м — максимальный из всех допустимых постоянных токов модулей, пр — количество параллельных модулей.
Пример 1
Предположим, что мы имеем два параллельно включенных ЮВТ-модуля, и один из них управляет током 800 А, а другой — током 640 А. Мы можем вычислить фактор снижения тока таким образом:
1т = 800 + 640 = 1440 А, 1М = 800 А, пр = 2.
Следовательно,
5 = 1 - 1440/(2 х 800) = = (1- 0,9) х 100% = 10%.
Преобразуя уравнение (1), мы получаем:
1т = (1- 5)пр1м. (2)
По заданному значению фактора снижения тока можно определить полный ток общей цепи. Поскольку в системе из параллельно соединенных модулей ток ни через один из них не должен превысить номинального значения, то наихудший случай произойдет, когда одно из устройств проводит максимальный ток 1м, а остальные (пр - 1) — минимальный 1тП. В этом случае общий ток будет
Ь = М + (пр - Штт. (3)
Следующим параметром, показывающим ухудшение характеристики, является фактор дисбаланса т
т = (ІМ - Ішіп)/Ім•
Здесь т — фактор дисбаланса; 1м — максимальный ток для одиночного модуля; Ішіп — минимальный ток для одиночного модуля в параллельной цепи.
Из (4) можно выразить
Ішіп/ІМ = 1- т (5)
Из (1), (3) и (5) получаем:
8 = 1- ((ир - 1)(1- т)+1)/Пр. (6)
Пример 2
Определим фактор снижения тока для 4-х параллельных устройств с фактором дисбаланса 20%.
Используя уравнение (6), вычисляем:
8% = (1- ((4- 1)(1- 0,2) +1)/4) х 100 = = 0,15 х 100 % = 15%.
Фактор дисбаланса — важная характеристика для параллельно включенных ЮВТ-мо-дулей. Эта характеристика является функцией напряжения насыщения VCE(sat), температуры перехода, конструкции устройства и технологии. Рис. 1 (интерпретация уравнения (6)) показывает рост фактора снижения тока при соединении параллельно до пяти ЮВТ-модулей Dynex DIM800DDM17.
Отметим, что фактор снижения тока заметней при более низких температурах. При расчетах целесообразно пользоваться значениями 8 для температуры перехода 25 °С.
Полный ток системы для пяти параллельно включенных модулей может быть определен из рис. 1 и уравнения (2).
Пример 3
Оценим полный ток для системы из четырех DIM800DDM17, соединенных параллельно.
Количество параллельных модулей
Рис. 1. Изменение статического фактора снижения тока модуля DIM 800DDM17-A000
Код типа корпуса Размеры, мм Конфигурация модуля Конфигурация диода Максимальное рабочее напряжение, кВ Примечание
A 190x140x48 Одиночный ключ 6,5 Изоляция 10,2 кВ
B 62x107x30 Одиночный ключ Одиночный 1,7 В новых разработках применяется код 1_
C 94x34x30 Полумост Чоппер 1,7
D 140x130x38 Двойной ключ Не связанный с диодом чоппер 1,7
E 190x140x38 Одиночный ключ Тройной 3,3
140x130x38 Одиночный ключ Двойной 1,7
G 140x130x38 Двойной ключ Не связанный с диодом чоппер 3,3
140x130x64 Одиночный ключ 3,3 Изоляция 8,5 кВ
K 140x73x48 Одиночный ключ 6,5 Изоляция 10,2 кВ
L 62x108x30 Одиночный ключ Одиночный 1,7
M 62x108x30 Полумост Чоппер Двунаправленный ключ Последовательная пара (Полумост) 1,7
N 140x130x38 Одиночный ключ Двойной 3,3
P 73x140x38 Полумост Чоппер Двунаправленный ключ Последовательная пара (Полумост) 3,3
R 140x130x38 Мост вентильно-индукторного двигателя 1,7
W 62x107x30 Полумост Чоппер Двунаправленный ключ Последовательная пара (Полумост) 1,7
X 140x130x38 Одиночный ключ 6,5 Изоляция 10,2 кВ
Код типа электрической схемы Описание Код типа корпуса
B Двунаправленный ключ из двух ЮВТ с общим эмиттером
C ЮВТ-чоппер и не связанный с ним диод
D Два отдельных ЮВТ-ключа
E Симметричная пара ЮВТ-чопперов с возможностью последовательного соединения (коллектор-эмиттер) по внешней шине
H ЮВТ-полумост
K ЮВТ-чоппер верхнего плеча
L ЮВТ-чоппер нижнего плеча
R Мост вентильно-индукторного двигателя
S Одиночный ключ B
Три одиночных ЮВТ-ключа с возможностью параллельного соединения по внешней шине E
Два одиночных ЮВТ-ключа с возможностью параллельного соединения по внешней шине E
V Последовательно соединенная пара двунаправленных ЮВТ-ключей
X Два диода с возможностью параллельного соединения по внешней шине F, N,X
Три диода с возможностью параллельного соединения по внешней шине E
Одиночный диод B, L
Два последовательно соединенных диода с отводом M, L, P
Из рис. 1 определим фактор снижения тока при 25 °С — для четырех параллельно включенных устройств он равен 30%. Из уравнения (2) получим:
IT = (1- 0,3) х 4 х 800 = 2240 A.
Динамический режим
Статическая оценка системы параллельно соединенных IGBT-модулей предполагает, что ни через одно из устройств не проходит ток, превышающий максимально допустимый. Подобный подход может быть применен и в динамическом режиме. Главная причина дисбаланса токов во время переключения — различие в передаточных характеристиках (зависимости коллекторного тока от напряжения между затвором и эмиттером) отдельных модулей.
Через IGBT-модуль с наибольшей крутизной передаточной характеристики протека-
Рис. 2. Сравнение статического и динамического факторов снижения тока модуля DIM 800DDM17-A000
ет наибольшая часть общего тока. Значение тока в динамическом режиме (1Су^) связано с температурой перехода и, следовательно, со значением общих потерь.
Если мы определяем ІС(Рк)(шах) как максимально допустимый пиковый ток отдельного модуля, работающего в определенных условиях, а ІС (рк)(шіп) — как минимальный пико-
Таблица 3. Аналоги
DYNEX EUPEC SEMIKRON MITSUBISHI TOSHIBA FUJI
Полумосты
DIM125CHS06-S BSM100GB60DLC SKM100GB063D CM100DY-12H MG100J2YS50 2MBI100N-060
DIM250WHS06-S BSM200GB60DLC SKM200GB063D CM200DY-12H MG150J1ZS50
DIM375WHS06-S BSM300GB60DLC SKM300GB063D CM300DY-12H 2MBI300N-060
DIM50CHS12-E BSM50GB120DN2 CM50DY-24H MG50Q2YS50
DIM75CHS12-E BSM75GB120DN2 CM75DU-24F MG75Q2YS50 2MBI75UA-120
DIM100CHS12-E CM100DU-24F 2MBI100UA-120
DIM100WHS12-A SKM100GB123D MG100Q2YS51 2MBI100N-120
DIM100WHS12-E BSM100GB120DN2
DIM200WHS12-A SKM200GB123D CM200DU-24H MG150Q2YS51
DIM200WHS12-E BSM200GB120DN2 SKM200GB126D 2MBI200UB-120
DIM100WHS17-A BSM100GB170DN2 CM100DU-34KA MG90V2YS40
DIM200WHS17-A BSM200GB170DLC SKM150GB173D CM200DU-34KA
DIM300WHS17-E FF300R17KE3
DIM200PHM33-A FF200R33KF2C
Чопперы
DIM250WKS06-S MG150J1JS50
DIM200WKS12-S MG150Q1JS40
DIM200WLS12-A BSM200GAL120DN2 SKM150GAL123D
DIM200WKS12-A BSM200GAR120DN2 SKM150GAR123D
DIM400DCM17-A FD400R17KF6CB2
DIM600DCM17-A FD600R17KF6CB2
DIM800DCM17-A FD800R17KF6CB2
DIM400GCM33-A FD400R33KF2C
Одиночные ключи
DIM500BSS06-S CM400HA-12H MG400J1US51 1MBI600NN-060
DIM200BSS12-A BSM200GA120DN2
DIM400BSS12-A BSM400GA120DN2 CM400HU-24F
DIM800FSM12-A FZ800R12KF4 CM800HA-24H
DIM1200FSM12-A FZ1200R12KF4 CM1000HA-24H
DIM1600FSM12-A FZ1600R12KF4
DIM1800ESM12-A FZ1800R12KF4
DIM2400ESM12-A FZ2400R12KF4
DIM200BSS17-A BSM200GA170DLC
DIM400BSS17-A BSM400GA170DLC
DIM600BSS17-A SKM500GA174D
DIM800FSM17-A FZ800R17KF6CB2 CM600E2Y-34H
DIM1200FSM17-A FZ1200R17KF6CB2 CM1200HA-34H
DIM1600FSM17-A FZ1600R17KF6CB2 CM1600HC-34H
DIM2400ESM17-A FZ2400R17KF6CB2 CM2400HC-34H
DIM800NSM33-A FZ800R33KF2C CM800HA-66H
DIM1200ESM33-A FZ1200R33KF2C CM1200HC-66H
Таблица 4. Подбор модулей по напряжению и току
NPT NPT Trench NPT Trench NPT SPT SPT
Ток Напряжение «коллектор-эмиттер», В
А 600 1200 1700 3300 6500
3600 DIM3600ESM12-E DIM3600ESM17-E
2400 DIM2400ESM12-A DIM2400NSM12-E DIM2400ESM17-A DIM2400ESM17-E
DIM2400NSM17-E
1800 DIM1800ESM12-A DIM1800ESM17-E
1600 DIM1600FSM12-A DIM1600NSM12-E DIM1600FSM17-A DIM1600NSM17-E
DIM1200DDM12-E DIM1200DDM17-E
1200 DIM1200FSM12-A DIM1200FSM17-A DIM1200ESM33-A DIM1200ESM33-F
DIM1200FSS12-A DIM1200NSM12-E DIM1200NSM17-E
DIM800DDM12-A DIM800DDM17-A DIM800DDM17-E DIM800JSM33-A
800 DIM800DCM12-A DIM800DDM12-E DIM800DCM17-A DIM800NSM33-A DIM800NSM33-F
DIM800FSM12-A DIM800FSM17-A DIM800ECM33-F
DIM600BSS12-A DIM600BSS12-E DIM600BSS17-A DIM600BSS17-E
6 о о DIM600WHS12-E DIM600DDM17-A DIM600DDM17-E
DIM600DDM12-E DIM600DCM17-A
500 DIM500BSS06-S
DIM400BSS17-A DIM400BSS17-E
DIM400WHS17-A DIM400WHS17-E
400 DIM400BSS12-A DIM400BSS12-E DIM400DDM17-A DIM400DDM17-E DIM400GDM33-A DIM400GDM33-F
DIM400WHS12-A DIM400WHS12-E DIM400DCM17-A DIM400WHS17-E DIM400GCM33-A DIM400XSM65-K
DIM400DDM12-A DIM400PBM17-A
DIM400PHM17-A
DIM375WHS06-S DIM300BSS12-E DIM300BSS17-E
300 DIM375WLS06-S DIM300WHS12-A DIM300WHS-17A DIM300WHS17-E
DIM375WKS06-S DIM300WHS12-E
DIM200BSS12-A DIM200BSS12-E DIM200BSS17-A DIM200BSS17-E DIM200PHM33-A DIM200PHM33-F
DIM250WHS06-S DIM200WHS12-A DIM200WHS12-E DIM200WHS17-A DIM200WHS17-E DIM200PKM33-A
200 DIM250WLS06-S DIM200WLS12-A DIM200WLS17-A DIM200PLM33-A
DIM250WKS06-S DIM200WKS12-A DIM200WKS17-A
DIM200MBS12-A
150 DIM150CHS17-E
DIM150WHS17-E
100 DIM100CHS17-A DIM100CHS17-E
DIM100WHS12-A DIM100WHS12-E DIM100WHS17-A DIM100WHS17-E
75 DIM75CHS17-E
50 DIM50CHS17-E
вый ток для отдельного модуля, работающего в параллельном соединении с другими, тогда
Д1С(РК) = 1С(РК)(шах) - 1С(РК)(шш), а динамичесКИй фактор дисбаланса тока:
Ф = Д1С (РК)/-С(РК)(шах)- (7)
Таким образом, динамический фактор снижения тока:
Ь(йупашгс) =
= 1- ((пр - 1)(1- ф)+1/Пр, (8)
где 8(dynaшic) — динамический фактор снижения тока; пр — количество параллельных модулей; ф — динамический фактор дисбаланса тока.
Динамический фактор дисбаланса тока ф связан с передаточной характеристикой ЮВТ.
На рис. 2 приводится сравнение статического и динамического факторов снижения тока для ЮВТ-модуля DIM800DDM17 при температуре перехода 25 °С. Заметим, что статический фактор снижения тока больше динамического.
Это верно вообще для большинства условий применения модулей. Поэтому необходимо учитывать только статический фактор снижения тока при определении числа параллельно соединяемых модулей. Однако параметры динамического режима более чувствительны к внешним факторам,
особенно к разбросу параметров распределенной индуктивности в цепи «эмиттер-затвор», который приводит к динамическому разбалансу и неравенству напряжений «эмиттер-затвор» во время переключения. Использование резисторов в цепях затворов помогает восстановить динамический баланс.
Обозначение ЮБТ-модулей и РРй компании йупех
С февраля 2001 года Dynex использует следующие обозначения для новой документации на продукцию.
Порядок обозначений рассмотрим на примере изделия DIM800DDM17-A000.
• DIM800DDM17-A000 (Б — компания Dynex).
• DM800DDM17-A000 (I — ЮВТ; Б — FRD).
• DIM800DDM17-A000 (М — модуль).
• Р!М800РРМ17-А000 — рабочий ток (минимум две цифры, максимум — четыре).
• DIM800DDM17-A000 — тип корпуса (табл. 1).
• DIM800DDM17-A000 — тип конфигурации схемы модуля (табл. 2)
• DIM800DDM17-A000 — материал основания (М — металло-матричный композиционный материал; 8 — медь).
• Р!М800РРМ17-А000 — максимальное рабочее напряжение (06 — 600 В; 12 — 1200 В; 17 — 1700 В; 33 — 3300 В; 65 — 6500 В).
• DIM800DDM17-A000 — технология изготовления (A — стандартная гомогенная структура (Standard Non Punch Through-NPT) IGBT и FRD; E — заглубленный затвор-канавка (Trench Fild Stop) IGBT и FRD; F — мягкий прокол базы (Soft Punch Through-SPT) 3,5 кВ IGB^ FRD; J — 600 В гомогенная структура (Non Punch Through-NPT) IGBT и FRD; K — мягкий прокол базы (Soft Punch Through-SPT) 6,5 кВ IGBT и FRD; S — 600 В эпитаксиальная структура (Punch Through-PT) IGBT).
• DIM800DDM17-A000 (000 — стандартная продукция (может быть не указана); 076 — стандартная продукция, сопровождаемая результатами тестовой проверки; XXX — продукция, поставляемая по спецификации заказчика).
Примеры:
• DIM800DDM17-A001.
• DIM200PLM33-A019.
Размеры различных типов корпусов даны в таблице 1.
Dynex является одним из мировых лидеров в области производства компонентов силовой электроники — наряду с такими фирмами, как Eupec, Semikron и Mitsubishi. В таблице 3 показаны IGBT-модули Dynex, подходящие для замены модулей других производителей.
Подбор модулей Dynex по требуемому току коллектора и напряжению между коллектором и эмиттером можно произвести по таблице 4.
М6 slot
Длина теплоотвода (мм)
Естественное
охлаждение
0,100
0,095
0,09
0,085
0,08
0,075
125
200 W
175 225 275 325 375 Длина теплоотвода (мм)
Форсированное охлаждение (5м/с)
Рис. 3. Разрез теплоотвода IGBT-модуля Dynex
Рекомендуемые основные правила
монтажа и эксплуатации
IGBT-модулей Dynex
1. Для достижения необходимых характеристик переключения требуется создание структуры окисного слоя толщиной в несколько сотен ангстрем. По этой причине изготовители ограничивают максимальное напряжение «эмиттер-затвор» величиной ±20 В. Если это напряжение превышено, то существует опасность того, что чип будет разрушен, а это приведет к потере свойств структуры «эмиттер-затвор». Такое может происходить из-за накопления электростатического заряда. Поэтому должны быть приняты меры для исключения такого повреждения. Продукты IGBT, поставляемые фирмой Dynex, имеют перемычки, соединяющие затвор и эмиттер, и упакованы в антистатический токопроводящий материал. При монтаже необходимо принять меры по защите IGBT-модулей от воздействия статического электричества и перенапряжений в цепи затвора (обязательно применение персоналом заземляющих браслетов и заземленных низковольтных паяльников с питанием через трансформатор). При эксплуатации необходимо выполнять следующие условия:
• значение рабочего пикового напряжения в схемах должно быть не более 80%, а рабочего постоянного напряжения — не более 60% от классификационного значения напряжения «коллектор-эмиттер»;
• запрещается устанавливать плавкие предохранители между фильтрами блока питания и силовыми ключами, так как предохранители имеют большую индуктивность;
• значение повторяющегося пикового тока должно быть не более 80% от классификационного постоянного тока коллектора;
• температура р-и-перехода не должна превышать 80% максимально допустимой
температуры Tj max;
• температура корпуса должна быть не выше 100 °С;
• при включении схемы сначала должно подаваться напряжение питания на систему управления и драйверы, и только затем — на IGBT;
• при выключении снятие напряжений питания должно производиться в обратном порядке;
• время нарастания и спада напряжения управления должно быть как можно меньше;
• для защиты модулей от перенапряжений в цепи «коллектор-эмиттер» рекомендуется применение снабберных RC- и RCD-цепей, установленных непосредственно на силовых выводах.
В качестве снабберных конденсаторов можно порекомендовать полипропиленовые пленочные конденсаторы фирмы ICEL (типы PPA, PPB, PMB) или EPCOS (тип MKP).
2. Среднее время жизни кремниевого полупроводника существенно увеличивается при снижении температуры перехода. Для поддержания последней ниже максимально допустимой (Tj max) необходим подходящий теплоотвод. Для правильного выбора теплоотвода необходимо учитывать множество факторов, в том числе следующие:
- максимальная допустимая температура перехода;
- максимальная допустимая температура перехода, при которой еще обеспечивается необходимое время жизни полупроводника;
- доступность метода охлаждения;
- стоимость метода охлаждения;
- надежность метода охлаждения.
Если нет никаких ограничений на размер теплоотвода, то вполне надежным решением является естественное воздушное охлаждение за счет большой площади теплоотвода. Данный метод самый дешевый, но не всегда эффективный. Ребристые теплоотводы имеют меньшие размеры. Профиль такого теплоотвода производства Dynex (тип EM) и зависимость теплового сопротивления от длины для естественного и форсированного охлаждения показаны на рис. 3. Тепловое сопротив-
ление «теплоотвод-воздух» В-Цк-о) уменьшено за счет увеличения излучения с поверхности канавок, проделанных в ребрах.
ЮВТ-модуль обычно электрически изолируется от своего основания. Это позволяет устанавливать несколько устройств на едином теплоотводе. Средняя температура перехода может быть определена из соотношения:
0-
Монтаж корпусов 106x62 мм проводить в последовательности: 1,4, 3,2
Монтаж корпусов 130x140 мм проводить в последовательности: 2, 5,1,6,3,4
1 Г
-Ȇ s
-щ
+-
Монтаж корпусов 190x140 мм проводить в последовательности: 2, 7,3,6,4, 5,1,8
Рис. 4. Порядок затягивания болтов для IGBT-модулей Dynex
Таблица 5. Параметры компаундов
Марка компаунда
Параметр Rhodosil 47V5 Dow Coming DC200 Aavid Sil Free1020 American Oil PQ BICC BX13 Aremco 664 Unial
Максимальная температура, °С 120 315 200 200 260 285 120
Минимальная температура, °С -65 -50 -40 -30
Удельная теплопроводность 0,12 Вт/м-К 0,155 Вт/м-К 0,793 Вт/м-К 16,7x10 схсмх°С 16,7x10 схсмх°С
Диэлектрическая прочность, В/мм 15000 225 15000 0 0
Тц W(Rí:fr(j-c) + ЛЫ(с-Ы) + ЛЛ(Н-а)) + Та ,
где Щ — мощность потерь; Тц — температура кристалла; Тс — температура корпуса; Т* — температура теплоотвода под модулем; Та — окружающая температура; Лыц_с) — тепловое сопротивление «кристалл-корпус»; Л*(с-щ — тепловое сопротивление «корпус-теплоотвод»; Л*(Л-а) тепловое сопротивление «теплоотвод-воздух».
Мощность потерь W включает в себя потери переключения и потери проводимости. Тепловое сопротивление Л-ыц-с) описывает распространение тепла между кристаллами ЮВТ и корпусом модуля. Оно характеризует статическое распространение тепла системы ЮВТ внутри модуля и зависит от размеров кристалла и конструкции модуля. Тепловое сопротивление контакта «корпус-теплоотвод» Л*(с-ы) ЮВТ-модуля описывает распространение тепла между корпусом модуля и теплоотводом. Оно характеризует статическое распространение тепла ЮВТ-модуля и зависит от размеров модуля, теплоотвода и поверхности корпуса, толщины и параметров термослоя (паста, фольга, прокладки) между модулем и теплоотводом, а также от силы прижатия крепежными винтами. ЮВТ-модули крепятся к охладителю винтами высокой твердости, при этом должен соблюдаться заданный момент вращения, и должны быть обязательно установлены плоские и стопорные шайбы.
Контактные поверхности модулей и теплоотводов должны быть чистыми и без повреждений. Неплоскостность поверхности теплоотвода, ограниченной крепежными отверстиями, должна быть не более 30 мкм (в интервале между отверстиями под винты). Шероховатость контактной поверхности Ла — не более 2,5 мкм. Если поверхность не отвечает этому требованию, то произойдет увеличение теплового сопротивления между основанием модуля и теплоотводом (Л*(с-щ).
Перед монтажом контактную поверхность модуля и охладителя необходимо очистить с помощью растворителя от загрязнения и нанести тонким равномерным слоем теплопроводящий компаунд с помощью валика или шпателя. Параметры теплопроводящих компаундов некоторых производителей приведены в таблице 5.
Однородный слой компаунда (например ита1) должен иметь толщину приблизительно 1 мм. Компаунд необходимо наносить на поверхность основания модуля до установки на теплоотвод.
Излишки состава удаляются с помощью гофрированной лопаточки, которая должна иметь форму, показанную рис. 5, и быть ориентирована перпендикулярно к поверхности основания модуля и параллельно его короткой стороне.
После установки модуля на теплоотвод до-ворот крепежных болтов должен быть выполнен по следующему алгоритму:
• поместить рекомендованные крепежные болты в отверстия;
• используя динамометрический ключ, медленно завернуть крепежные болты до упора;
• довернуть крепежные болты не больше чем четверть оборота поочередно, как показано на рис. 4, ив соответствии со справочными данными модулей Dynex на моменты вращения крепежных болтов;
• через три часа после закрепления винты необходимо довернуть, соблюдая заданный момент вращения, так как часть теплопроводящей пасты вытекает под давлением.
Количество компаунда является достаточным, если вокруг окончательно смонтированного на охладитель модуля наблюдается небольшое выдавливание состава. Во избежание неравномерного нанесения не рекомендуется использование компаундов с повышенной вязкостью. Запрещается наличие в теплопроводящей пасте, а также на поверхностях модуля или охладителя твердых частиц, так как при креплении модуля они вызывают деформацию основания и разрушение внутренних элементов модуля.
Применение в модулях Dynex матричных композиционных материалов, имеющих высокую теплопроводность и низкий коэффициент теплового расширения, позволяет снизить до минимума напряженности в конструкции модуля, особенно в чипах силовых приборов. Это позволяет обеспечить хорошую электрическую изоляцию и эффективный отвод тепла.
3. При использовании некомплектных винтов необходимо следить за тем, чтобы их длина была достаточной для надежного соединения, в то же время винты не должны выступать за отверстие гайки под силовым выводом более чем на 3 мм.
4. Для предотвращения механического разрушения модулей не рекомендуется прикладывать к силовым и управляющим выводам значительные механические нагрузки. Применяемая фирмой Dynex при производстве чипов ЮВТ технология заглубленно-
го затвора-канавки (затвора с изолирующими канавками — trench gate) обеспечивает низкий уровень напряжения насыщения за счет повышения плотности каналов в кристалле и использует вертикальную структуру затвора вместо традиционной горизонтальной. Планарная конструкция кристалла позволяет уменьшить напряжение насыщения VCE(sat) и потери переключения. Для IGBT-модулей Dynex, рассчитанных на напряжение 1200 В, удалось уменьшить значение VCE(sat) с 2,2 до 1,7 Ви снизить потери переключения. Кроме того, одновременно с улучшением характеристик IGBT улучшена работоспособность рекуперативного диода в самом модуле. В общих чертах, улучшение показателей IGBT-модулей привело к более быстрому включению, благодаря которому сократились потери переключения. Тем не менее, рост отношения di/dt в модуле приводит к более крутому росту di/dt рекуперативного диода, что увеличивает уровень шума. Параметры этого диода также улучшены аналогично параметрам самого модуля, и скорость переключения повышена. Мягкое восстановление, поддерживая быстрое переключение, обусловливает низкий уровень шумов IGBT. Для увеличения количества рабочих циклов и долговечности в IGBT-модулях используется изолятор на основе нитрида алюминия и новый тип оптимизированной структуры алюминиевой металлизации кремниевой поверхности электродов.
Разработанные Dynex IGBT-модули удовлетворяют самым высоким требованиям по термоустойчивости в циклических режимах, что очень важно для работы в составе тяговых электроприводов. В их конструкции используются передовые разработки: композитные материалы AlSiC (Aluminium Silizium Carbid) и AlN (Aluminium Nitrit) для основания и подложки соответственно, которые улучшают термодинамические характеристики силовых IGBT-модулей и обеспечивают высокую прочность изоляции при тестировании частичными разрядами. Оказалось, что термоциклоустойчивость увеличивается при использовании нового материала AlSiC, который обеспечивает практически полное отсутствие какого-либо отслоения или ослаб-
Тип DDS и DDM
Тип GSS и GSM
TS
о
Тип FSS и FSM
Тип МНВ и MDS
Тип LSS
Ф
$
=Щ~‘ —d-
Тип GDS и GDM
Тип ESS
Рис. 6. Профили и размеры различных типов корпусов ЮВТ модулей Рупех
шумы от паразитных элементов схемы, а также гарантировать, что выбраны правильные расстояния для предотвращения электрического пробоя при используемом рабочем напряжении. Провода, соединяющие схему драйвера с затвором и эмиттером ЮВТ, должны быть минимальной длины.
При параллельном включении нескольких однотипных модулей небольшое различие в потенциалах эмиттеров может вызвать паразитные колебания в схеме драйвера.
Для демпфирования этих колебаний полезно включать резисторы в цепь затворов и в эмиттеры. На рис. 8 показан пример схемы драйвера для параллельных ЮВТ. Резисторы в цепях затворов демпфируют паразитные колебания в цепи «затвор-эмиттер». Кроме того, они уменьшают отрицательные эффекты от разных переходных характеристик. Значения этих резисторов должны лежать в диапазоне 0,5-2 Ом. Резисторы в цепях эмиттеров подавляют компенсационные токи между вспомогательными эмиттерами. Они должны иметь номинал около 0,5 Ом.
ления припойной структуры. На рис. 6 показаны профили и размеры различных типов корпусов ЮВТ-модулей Dynex.
В дополнение к вышеупомянутым рекомендациям рассмотрим выбор схемы драйвера и его компоновку.
Ток коллектора ЮВТ 1С зависит от напряжения «коллектор-эмиттер» УСЕ и от напряжения «затвор-эмиттер» УаЕ. Причем проводимость ЮВТ, определяемая как крутизна характеристики (Ис ИУСЕ = ¡(УдЕ), возрастает при увеличении УаЕ. Поэтому желательно увеличить УаЕ до максимума, то есть до значения примерно 15 В. При выключении УСЕ
рекомендуется держать в пределах —8_—15 В,
так как этого достаточно для снижения потерь при выключении и обеспечения высокой стойкости транзистора к ¿У/¿г. Компания Dynex, как и большинство изготовителей ЮВТ, гарантирует, что они будут сохранять работоспособность при коротком замыкании на время 10 мкс при значении рабочего напряжения 50% от максимального, с УаЕ = 15 В и с температурой ниже 125 °С. Если короткое замыкание появляется при нахождении ЮВТ в проводящем состоянии, то 1С и УСЕ очень быстро повышаются. Быстрое повышение ¿У/Л вместе с обратной емкостью Сте!, составляющей единицы нанофарад, приводит к увеличению эффективного значения УаЕ, так как УаЕ = Стю х ¿У/¿г х Яс + Ус (рис. 7).
Для предотвращения такой ситуации помогает встречно-параллельное включение диодов Зенера параллельно цепи «затвор-эмиттер», как показано на рис. 7.
При последовательном включении ЮВТ, например, для управления двигателем с помощью полумостов, необходимы согласованные задержки включения ЮВТ верхнего и нижнего плеча для предотвращения проникновения постоянного тока в обмотку. Кроме того, схема драйвера должна обеспечивать достаточную коррекцию времени коммутации для предотвращения большого сквозного тока через модули. Метод задержки не требует никаких дополнительных силовых компонентов, и в ЮВТ не возникает больших потерь. С другой стороны, он предъявляет жесткие требования к драйверу и схеме управления.
Особое внимание нужно уделить размещению схемы драйвера, чтобы минимизировать
При управлении мощными IGBT-модулями в условиях практического отсутствия постоянного тока через затвор ключа необходимо перезаряжать затворную емкость величиной порядка сотни нанофарад, что на частотах около 20 кГц требует обеспечить значительные импульсные токи для сохранения приемлемых фронтов импульса. Высокие коммутируемые напряжения накладывают дополнительные ограничения на схемы управления. В схемах силовой электроники обычно необходимо изолировать компоненты схемы драйвера от схемы управления. Для управления входными каскадами схем драйверов необходимо использовать либо опторазвязки с хорошим быстродействием, например быстродействующие HCNW3120, HCNW4503 или HCNW4504 фирмы Agilent Technologies с dV/dt порядка 15 кВ/мкс, либо развязки на специальных высоковольтных схемах трансформации (рис. 9).
Применение оптопар более предпочтительно по соображениям борьбы с шумами, надежности и массо-габаритным параметрам. Кроме того, поскольку для функционирования входных каскадов схем драйверов модулей на них необходимо подавать постоянное напряжение +15 В, при применении оптопар можно использовать один источник питания для модуля и схем развязки.
К цепям драйвера
Рис. 9. Развязка драйвера и цепи управления через трансформатор
Сигналы управления и ошибки могут также быть переданы через трансформаторы или оптоизоляторы. Независимо от того, какой метод используется, нужно гарантировать необходимые уровни напряжения, скорость переключения и устойчивость к йУ1ск. Собственный ток потребления драйверов мал, но в предельных режимах им приходится рассеивать значительную мощность. Максимальная нагрузочная способность драйверов ограничивается еще и типом корпуса. Емкость затвора КВТ С{а (этот параметр приводится в справочных данных) и рабочая частота преобразования f являются отправными параметрами для расчета максимального выходного тока драйвера 10:
0 = С1а Х У0 Х f, (9)
где У0 — значение выходного напряжения драйвера.
При отсутствии внешнего резистора между выходом драйвера и затвором транзистора вся мощность рассеивается на резистивных элементах внутри корпуса микросхемы и, с учетом (9), может быть определена из соотношения:
Р = Сй5 х V(Ox ^ (10)
Пример 4
Оценим возможность применения оптоизолятора HCNW4503 в качестве драйвера
для управления ключом ЮВТ-модуля Dynex DIM800DDM17-A000 при значении С{а = 60нФ и напряжении У0 = 15 В на частоте преобразования 40 кГц.
Р = (60 нФ) х (15 В)2 х (40 кГц) = 540 мВт.
Из справочных данных на HCNW4503 мощность Р5,0итРит = 700 мВт > 540 мВт.
Потери переключения ЮВТ зависят от уровня УаЕ и общего сопротивления в цепи затвора . Увеличение УаЕ или уменьшение позволяет сократить время задержки, время нарастания и спада, а следовательно, и уменьшить потери переключения. Другими факторами, влияющими на потери переключения, являются потери переключения антипараллельного диода, индуктивность схемы, снабберы, температура перехода, рабочие напряжение и ток и т. д. Однако для снижения потерь в течение короткого времени необходимо снижение значения СИск, что может быть получено путем увеличения значения . Следовательно, необходимо динамическое управление цепью затвора.
Одним из способов динамического управления, рекомендованных Dynex, является активное ограничение напряжения. Процесс активного ограничения характеризуется контролем напряжения «коллектор-эмиттер» и обратной связью на затвор через элемент Зенера, операционный усилитель и комплиментарную пару (рис. 10).
Если напряжение на транзисторе достигает максимума, напряжение на затворе возрастает так, что рабочая точка сдвигается на активный участок выходной характеристики в соответствии с пропускаемым током через коллектор. Дополнительные потери в транзисторе при активном ограничении сравнительно малы. Активное ограничение не влияет на симметрию фронтов коммутации. Этот метод работает с малыми временными задержками, зависящими от коэффициента в цепи обратной связи. Ограничение напряжения не зависит от рабочей точки инвертора. Кроме того, преимущество данного метода в том, что любой стандартный драйвер можно оборудовать устройством фиксации, и он будет обеспечивать ограничение напряжения для выключения непараллельных диодов и т. п. Защита гарантирована даже в случае неисправности источника питания драйвера.
Заключение
ЮВТ-модули Dynex на базе планарной технологии позволяют уменьшить прямые потери, улучшить шумовые характеристики, обеспечить более эффективный теплоотвод
и, таким образом, повысить долговечность изделия и его термическую прочность. Как известно, КВТ характеризуются высокой скоростью переключения, возможностью управления напряжением, подобно полевым транзисторам и, в то же время, низким уровнем напряжения насыщения и способностью управлять большой мощностью, характерной для биполярных транзисторов. Тем не менее, инженеры фирмы Dynex непрерывно работают над улучшением основных параметров этих компонентов. Благодаря высокой надежности технологии производства, КВТ-моду-ли Dynex находят все большее применение на железнодорожном и водном транспорте, в самолетостроении и автомобилестроении. Разработчики используют как стандартные продукты, так и заказные модули.
В последние два года Dynex проектирует ряд мощных высоконадежных модулей для аэрокосмической промышленности. В начале 2003 года Dynex получила заказ на изготовление асимметричного Н-моста на основе ЮВТ, который используется в силовых системах самолета-истребителя Б35.
ЮВТ-модули Dynex также разработаны для морского флота, где предъявляются высокие требования по надежности. Например, Dynex поставляет ЮВТ-модули на 3,3 кВ, 800 А с высокой степенью изоляции для инвертора 20-мегаваттного двигателя эсминца типа 45 британского королевского флота.
В электромобилях Renault Ка^оо, передвигающихся по дорогам Швеции, Франции и Нидерландов, работают 600-вольтные ЮВТ-модули Dynex. В дизельной гибридной версии Ка^оо, которую планируют выпускать в ближайшем будущем, также будут использовать модули Dynex. ■
