Новые поколения силовых модулей IGBT фирмы SEMIKRON Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Компоненты и технологии, № 7'2003

Новые поколения модулей IGBT

фирмы SEMIKRON

Жесткая конкуренция, действующая в сфере производства компонентов силовой электроники, требует от фирм-производителей постоянного улучшения параметров компонентов, совершенствования технологий, разработки новых поколений элементов с уникальными характеристиками. Этого же требуют и растущие мировые требования по энергосбережению, эффективности и миниатюризации силовых преобразовательных устройств. Благодаря усилиям своих инженеров и конструкторов фирма БЕМІКРОМ является бессменным лидером в области компонентов для мощных применений. На выставке РСІМ-2003, прошедшей в Нюрнберге в мае 2003 года, были представлены новые поколения модулей ЮВТ БЕМІКРОМ — МіпіБКііР II и БЕМІХ, появление которых еще сильнее закрепляет лидерство БЕМІКРОМ среди производителей элементов силовой электроники.

е-

Андрей Колпаков

[email protected]

Миниатюрные модули IGBT MiniSKiiP II

Снижение габаритов силового каскада при повышении его эффективности и мощности — основная задача любой компании, действующей на рынке силовых преобразовательных устройств. В 1996 году фирма SEMIKRON выпустила на рынок первое поколение миниатюрных модулей MiniSKiiP, предназначенных для работы в диапазоне мощностей до 10 кВт. По международной классификации эти модули обозначаются CIB (Converter, Inverter, Brake), они содержат выпрямительный мост (однофазный или трехфазный), 3-фазный мост IGBT, тормозной транзистор. Модуль может также включать датчики тока и температуры. Подобные изделия выпускаются многими фирмами, в частности International

Rectifier, Fairchild, EUPEC, однако по уровню плотности мощности в заданном габарите и по электрическим характеристикам модули SEMIKRON значительно превосходят конкурентов. И особенно это лидерство укрепилось с появлением модулей нового, второго поколения. Модули MiniSKiiP II отличаются применением новейших кристаллов IGBT, улучшенными тепловыми, электрическими и конструктивными характеристиками, расширенным диапазоном мощности.

В модулях MiniSKiiP II реализованы все достижения, обеспечивающие компонентам SEMIKRON высочайший уровень надежности — прижимная технология сборки «pressure contact» и пружинные контакты. Подробно об особенностях технологии прижима и методах обеспечения надежности компонентов SEMIKRON было рассказано ранее на страницах «КиТ» [2, 3].

Основным отличием модулей нового поколения с напряжением 1200 В является использование в них улучшенных кристаллов транзисторов Trench IGBT 3 поколения. За счет уменьшения тол-

Компоненты и технологии, № 7'2003

Таблица 1. Сравнение электрических характеристик модулей MiniSKiiP I и II поколения

Параметры MiniSKiiP NPT MiniSKiiP ll Изменение

Напряжение насыщения Усе^) @ 25 °С, В 2,5 1,7 -32%

Энергия потерь Ем @ 100 А, мДж 27,5 23 -16%

Относительный размер кристалла, % 100 70 -30%

Заряд затвора Од, нКл 850 700 -18%

Таблица 2. Основные технические характеристики модулей MiniSKiiP II

Тип модуля Напряжение Vce, B Ток Ic, A

Конфигурация

Выпрямительный мост + 3-фазный инвертор IGBT + Тормозной транзистор

MiniSKiiP II-0 MiniSKiiP II-1 MiniSKiiP II-2 MiniSKiiP II-3

600 600+ 1200 600+ 1200 600+ 1200

10-20

10-30

30-50

50-100

J J A

3-фазный инвертор IGBT

MiniSKiiP II-0 MiniSKiiP II-1 MiniSKiiP II-2 MiniSKiiP II-3

600 600+ 1200 600+ 1200 600+ 1200

10-30

10-40

40-100

100-175

jâ Jà jä

Тиристорный мост + Тормозной транзистор

MiniSKiiP II-2 MiniSKiiP II-3

600+ 1200 600+ 1200

150

175

щины кристалла удалось добиться заметного снижения потерь [4]. На рис. 2 и в таблице 1 приведены сравнительные характеристики модулей MiniSKiiP двух поколений, а в таблице 2 показаны основные технические параметры и конфигурации модулей MiniSKiiP II.

В качестве антипараллельных диодов в модулях MiniSKiiP II применена новая разработка SEMIKRON — диоды с регулируемым временем жизни носителей и повышенной плотностью тока CAL-HD (Controlled Axial Lifetime — High Density) [5]. Эти диоды хорошо согласуются с транзисторами Trench IGBT по электрическим параметрам и размеру кристалла, имеют меньшее прямое падение напряжения и положительный темпера-

0,00 0,40 0,80 1,20 1,60 2,00 2,40

Рис. 3. Прямое падение напряжения ^FB

диодов CAL и CAL-HD в зависимости от тока

турный коэффициент прямого напряжения. Графики зависимости прямого падения напряжения от тока VF = f(IF) для диодов CAL и CAL-HD при температуре 27 и 125 °С показаны на рис. 3.

Для модулей, рассчитанных на напряжение 600 В, выбор типа транзисторов обусловлен тем фактом, что рабочие частоты устройств, где применяются такие модули, как правило, находятся в диапазоне 10-16 кГц. На этих частотах транзисторы IGBT класса Ultrafast NPT имеют оптимальное соотношение статических потерь, обусловленных напряжением насыщения VCE(sat), и динамических потерь, определяемых энергией потерь ESW. По уровню потерь транзисторы Ultrafast NPT имеют преимущество перед стандартными NPT IGBT примерно на 35%.

Для серии MiniSKiiP II были разработаны новые миниатюрные корпуса, внешний вид которых показан на рис. 2. Самый маленький из них Mini 0 имеет размер 31x34x16. Размеры наиболее мощного — Mini 3 составляют 59x82x16. Для подключения модуля используются пружинные контакты, временная и тепловая стабильность параметров которых подтверждается многочисленными испытаниями. Конструкция контактов для модулей второго поколения была доработана в части увеличения допустимой токовой нагрузки. Для изготовления контактов применен сплав, позволивший повысить допустимую токовую нагрузку почти в 2 раза. Каж-

дый контакт нового модуля рассчитан на ток до 20 А, при этом его перегрев не превышает 20 °С. Для сильноточных выводов используется параллельное соединение пружинных выводов, их количество может достигать 8 для 1 силового терминала. На рис. 1 показано, как осуществляется соединение модуля MiniSKiiP II с радиатором и платой драйвера.

Толщина керамической DBC-платы, на которой установлены силовые кристаллы для модулей MiniSKiiP I, равна 0,63 мм. Вклад теплового сопротивления керамической платы вместе со слоем теплопроводящей пасты в общем значении сопротивления Rtlljs составляет 30%. В модулях второго поколения толщина керамики снижена до 0,38 мм, что привело к снижению суммарного теплового сопротивления примерно на 10%. Это явилось главным фактором, позволившим расширить диапазон рабочих токов при меньших размерах модуля и сохранить показатели надежности на прежнем уровне.

Для дальнейшего снижения габаритов изделия в модулях MiniSKiiP II применена новая конструкция прижимной крышки. Теперь она не сплошная, 95% поверхности крышки составляют полости, в них могут располагаться компоненты платы управления, имеющие высоту до 3,5 мм. На рис. 1 видно, что элементы схемы управления расположены непосредственно под крышкой. Кроме того, такая конструкция способствует лучшему отводу тепла.

Рабочие напряжения модулей MiniSKiiP II, диапазоны токов и конфигурации схем приведены в таблице 2. Во всех вариантах модули снабжены линейным термодатчиком РТС. В отличие от модулей предыдущего поколения токовые шунты исключены из схемы. Эмиттеры транзисторов IGBT инвертора выведены отдельно, и пользователь может сам выбрать тип и номинал токового сенсора.

На рис. 4 показана функциональная схема и внешний вид разработанного SEMIKRON конвертора, содержащего модуль SKiiP-83ANB15 (тиристорный выпрямитель и тормозной транзистор), модуль SKiiP-83AC12I (3-фазный инвертор IGBT с датчиками фазного тока), блок конденсаторов шины

Контроллер

Рис. 4. Функциональная схема и внешний вид конвертора SKiiP 025HAB/NAB

Компоненты и технологии, № 7'2003

питания, плату драйвера, источник питания и схему плавного заряда емкостей. Конвертор смонтирован на теплоотводе Р14 производства БЕМКЯОК

Кроме модулей серии МгтБКиР, являющихся уникальными по своим конструктивным параметрам, 8ЕМ1КИОЫ выпускает модули С1В в стандартных корпусах. Серия таких модулей называется 8ЕМГГОР, их внешний вид показан на рис. 5. Над совершенствованием этих изделий также идет постоянная работа, недавно ЗЕМЖИОЫ представил модули 8ЕМГГОР с улучшенными характеристиками. Новые компоненты предназначены для применений с выходной мощностью до 15 кВт. Это приводы общего назначения, сервоприводы, приводы стиральных машин, системы кондиционирования, пылесосы. Модули ЭЕМ1ТОР 3 в конфигурации С1В имеют рабочее напряжение 600 В и ток 25 А при температуре 80 °С.

При аналогичных значениях предельных параметров размеры модулей вЕМГГОР на 30% меньше, чем у ближайших аналогов. Они выполнены по прижимной технологии вКпР

без базовой платы, что обеспечивает лучшие тепловые характеристики и показатели надежности для изделий, предназначенных для использования в диапазоне малых мощностей.

SEMiX — новое поколение модулей IGBT

Основной причиной выпуска нового семейства модулей SEMIKRON, получившего название SEMiX, была необходимость создать конкуренцию модулям EconoPACK+, разработанным EUPEC и являющимся чрезвычайно популярными в своем классе. Очевидно поэтому во всех материалах и презентациях, посвященных SEMiX, проводится сравнение их характеристик с параметрами модулей Econopack+.

Для решения задачи обеспечения соизмеримых и лучших параметров и получения большей мощности в аналогичном габарите специалисты SEMIKRON отказались от своей традиционной технологии прижимного контакта и разработали серию модулей новой плоской конструкции, внешний вид которых приведен на рис. 6. Каждый модуль содержит 2, 3 или 4 параллельно соединенных полумоста. Модули отличаются только длиной, что упрощает разработку вариантов конструкции для изделий различной мощности. Для подключения тепловой защиты на базовой плате модулей установлен термодатчик с NTC-характеристикой.

На рис. 7 показаны основные конструктивные особенности модулей SEMiX. На медном несущем основании располагается 2 или 3 керамические DBC-платы с силовыми кристаллами Trench IGBT (с антипараллельными диодами CAL HD) или SPT IGBT (с антипараллельными диодами CAL).

Для подключения переходной платы (выделено зеленым), на которой расположены

сигнальные штыревые выводы, используются пружинные контакты, конструкция которых, разработанная 8ЕМ1КИОЫ, многократно подтвердила свою надежность и высокие технические характеристики. Силовые кристаллы соединяются с керамической платой с помощью пайки. Далее конструкция, установленная в корпусную рамку, заливается силиконовым гелем.

Из рис. 8, на котором представлен внешний вид модулей 8ЕМ1Х 33 и ЕсопоРАСК+, видно, что эти элементы имеют схожие конструктивы. У них идентичны крепежные размеры, габаритные размеры и расположение силовых терминалов. Однако модули вЕМ1-КИОЫ имеют ряд существенных технологических преимуществ, что выразилось в улучшении тепловых и электрических параметров. Сравнительные характеристики модулей приведены в таблице 3.

Немногие разработчики при расчете тепловых режимов преобразователя учитывают потери, создаваемые переходным сопротивлением силовых выводов. Однако, например, при токе 450 А, потери на выводах модуля ЕсопоРАСК+ Е8450К12КЕ3 с сопротивлением ИСС+ЕЕ = 1,1 мОм оказываются больше 200 Вт! В модуле ЭЕМ1Х 703GB126HD, где это сопротивление снижено до 0,8 мОм, выигрыш составляет около 60 Вт.

Уменьшение значения тепловых сопротивлений «кристалл — корпус» и «корпус — теп-лосток» позволяет снизить температуру кристалла и, соответственно, увеличить допустимые токовые нагрузки модуля. Это в сочетании с меньшим напряжением насыщения позволяет компенсировать несколько более высокие динамические потери по сравнению с модулями ЕсопоРАСК+.

Кроме конкуренции с ЕИРЕС новое поколение модулей разработано для расширения диапазона применения, предоставле-

190-480 А ЗЕМ1Х™ 2

300-1000 А ЗЕМ1Х™ 4

Рис. 6. Внешний вид модулей ЗЕМ1Х и диапазоны рабочих токов

250-700 A SEMiX™ 3

Таблица 3. Сравнительные характеристики модулей SEMiX и EconoPACK+

Тип модуля @ ОЭ О о > VCE(sat), B RCC+EE- мОм СО о оГ Rthcs- С/Вт Eon+off- мДж

FS150R12KE 150 1,7 1,1 0,18 0,05 11 + 24

253GB126HD 180 1,65 0,8 0,14 0,04 17 + 21

FS225R12KE 225 1,7 1,1 0,11 0,05 15 + 36

353GB126HD 280 1,65 0,8 0,095 0,04 18 + 38

FS300R12KE 300 2 1,1 0,085 0,05 22 + 43

503GB126HD 370 1,65 0,8 0,08 0,04 29 + 48

FS450R12KE 450 1,7 1,1 0,06 0,05 33 + 65

703GB126HD 490 1,65 0,8 0,055 0,04 38 + 75

1С — ток коллектора;

УСЕ(5а,) — напряжение насыщения «коллектор — эмиттер»; ^сс+ее — сопротивление силовых выводов;

— тепловое сопротивление «кристалл — корпус»;

^5 — тепловое сопротивление «корпус — теплосток»; Еоп+оН — энергия потерь включения + выключения.

Компоненты и технологии, № 7'2003

lc25 °С [A] 700 600 500 400 300 200 100 0

SPT 1200V

SEMITRANS 3

Trench 1200V

Trench 1700V

■

SEMiX 3

~SEMiX2

Рис. 9. Диапазон рабочих токов модулей SEMiX

Полумостовой модуль IGBT с выводами под пайку

Полумостовой модуль IGBT с пружинными выводами

Интеллектуальный модуль IGBT

Рис. 10. Варианты исполнения модулей SEMiX

----SEMiX2 - ЗООА

SEMiX2 - 250А SEMiX3 - 350А

----SEMiX3 - 500A

----SEMiX3 - 700A

Рис. 11. Зависимость выходной мощности от частоты ШИМ

Таблица 4. Основные характеристики модулей SEMiX 1200 B технологии SPT

SPT-IGBT (1200 В)

Тип модуля SEMiX IC@ 25 °C, A VCEsat@ 25 °C, B Etot@ 125 °C, мДж ICRMS, A Rthjc, C/Вт Корпус SEMiX Схема

202GB128D 190 1,9 21 100 0,165 2

302GB128D 310 1,9 32 150 0,095 2

352GB128D 370 1,9 42 200 0,085 2 HB

403GB128D 420 1,9 47 225 0,075 3

553GB128D 540 1,9 63 300 0,06 3

403GD128D 420 1,9 47 225 0,075 33 6-pack

553GD128D 540 1,9 63 300 0,06 33

Таблица 5. Основные характеристики модулей SEMiX 1200 B технологии Trench

Trench IGBT (1200 B)

Тип модуля SEMiX IC@ 25 °C, A VCEsat @ 25 °C, B Etot@ 125 °C, мДж ICRMS, A Rthjc, C/Вт Корпус SEMiX Схема

252GB126HD 250 1,7 38 150 0,15 2

253GB126HD 250 1,7 38 150 0,14 3

302GB126HD 310 1,7 50 200 0,125 2

353GB126HD 380 1,7 56 225 0,095 3 HB

452GB126HD 480 1,7 75 300 0,08 2

503GB126HD 490 1,7 75 300 0,075 3

703GB126HD 700 1,7 113 450 0,055 3

253GD126HD 250 1,7 38 150 0,14 33

353GD126HD 380 1,7 56 225 0,095 33 6-pack

503GD126HD 490 1,7 75 300 0,075 33

703GD126HD 700 1,7 113 450 0,055 33

Таблица 6. Основные характеристики модулей SEMiX 1700 B технологии Trench

Trench IGBT (1700 B)

Тип модуля SEMiX IC@ 25 °C, AVCEsat@ 25 °C, B Ets@ 125 °C, мДж ICRMS, A Rthjc, C/Вт Корпус SEMiX Схема

252GB176HD 260 2,0 150 150 0,11 2

253GB176HD 250 2,0 150 150 0,12 3

302GB176HD 320 2,0 200 200 0,095 2

353GB176HD 380 2,0 225 225 0,078 3 HB

452GB176HD 460 2,0 300 300 0,07 2

453GB176HD 460 2,0 300 300 0,07 3

653GB176HD 660 2,0 450 450 0,048 3

253GD176HD 250 2,0 150 150 0,12 33

353GD176HD 380 2,0 225 225 0,078 33 6-pack

453GD176HD 460 2,0 300 300 0,07 33

653GD176HD 660 2,0 450 450 0,048 33

В таблицах 4-6 использованы обозначения:

1С — ток коллектора; УСЕ5а, — напряжение насыщения; Е|0| — общая энергия потерь переключения;

1ммз — среднеквадратичное значение тока;

1?,!^ — тепловое сопротивление «кристалл — корпус»; НВ — полумост; 6-раск — 3-фазный мост.

ния пользователям новых возможностей. Рис. 9 иллюстрирует, насколько возросли диапазоны рабочих токов модулей с разным напряжением и технологией кристаллов по сравнению с рядом стандартных продуктов 8ЕМ1ТКАЫ8.

Одним из основных направлений деятельности фирмы 8ЕМ1ККОЫ всегда была разработка и производство интеллектуальных силовых модулей [2]. В данном секторе электронных компонентов 8ЕМ1КИОЫ занимает лидирующее положение, их изделия семейства 8КпР не имеют мировых аналогов. Кроме производства интеллектуальных модулей, 8ЕМ1КИОЫ разрабатывает драйверы для всех типов выпускаемых силовых модулей. Такой же подход использован и при разработке модулей серии 8ЕМ1Х. На рис. 10 показаны варианты исполнения 8ЕМ1Х.

На рис. 11 показана зависимость максимальной выходной мощности модулей 8ЕМ1Х от частоты переключения, а в табли-

цах 4-6 приведены основные технические характеристики модулей SEMiX, рассчитанных на напряжение 1200 и 1700 В, выпускаемых и готовящихся к производству. При производстве модулей SEMiX используется 2 типа технологии: Trench-IGBT, позволяющая получить сверхнизкие потери проводимости, и SPT-IGBT (Soft Punch Through) с оптимальным сочетанием потерь проводимости и переключения.

Заключение

По данным исследований рынка силовых полупроводниковых компонентов «The worldwide market for Power Semiconductors, 2002», проведенных британским исследовательским институтом IMS (British Market Research Institute), в области производства миниатюрных модулей CIB доля рынка SEMIKRON составляет 30% в мире и более 46% — в Европе.

Расширение гаммы производимых элементов, разработка новых поколений модулей является жесткой необходимостью, диктуемой конкуренцией на рынке электронных компонентов. С другой стороны, расширение номенклатуры и улучшение технических характеристик помогают пользователю осуществить правильный выбор, упростить разработку, сделать ее более конкурентоспособной. С этой точки зрения появление новых серий модулей М1т8КпР II и 8ЕМ1Х еще более укрепляет позиции 8ЕМ1КИОЫ как мирового лидера в производстве компонентов силовой электроники. На рис. 12 показаны области применения различных типов модулей 8ЕМ1КИОЫ.

Основным применением модулей М1ш8КпР являются схемы приводов, что и обусловлено выбором конфигурации С1В. Параметры новых изделий позволяют расширить диапазон их применения до мощности 30 кВт. При этом модули

Компоненты и технологии, № 7'2003

в своем классе и отличные показатели надежности. Следует также отметить, что кроме стандартных конфигураций, показанных в таблице 2, схема модуля Мш8КпР может изменяться в зависимости от требований заказчика. Например, на рис. 13 показан вариант схемы инвертора, предназначенный для управления вентильным индукторным двигателем.

Разработка модулей серии 8ЕМ1Х расширила область применения силовых модулей в стандартном конструктиве до мощностей свыше 150 кВт. При этом 8ЕМ1-КИОЫ предлагает, как и раньше, изделия с беспрецедентными электрическими, тепловыми характеристиками и показателями надежности.

1. Daucher Ch., Gobi Ch. MiniSKiiP II — Setting the new benchmark for CIB modules in the power range of 0.37 kW to 30 kW. SEMI-KRON International.

2. Колпаков А. SKiiP — интеллектуальные силовые IGBT модули SEMIKRON // Компоненты и технологии. 2003. № 1.

3. Колпаков А. Обеспечение надежности интеллектуальных силовых модулей // Электронные компоненты. 2003. № 4.

4. Laska T., Lorenz L. The field Stop IGBT Concept with an optimized Diode // PCIM Proceedings. 2002. P. 439-442.

5. Колпаков А. Оптимизация параметров ан-типараллельных диодов SEMIKRON. // Компоненты и технологии. 2003. № 2.