Силовая электроника №2'2004

Полупроводниковые приборы Hi-Rel — высокая надежность и качество, гарантируемые компанией International Rectifier

Валерий Петраков


В условиях жесткой конкуренции одним из основных факторов, обеспечивающих стабильное продвижение вперед, является ориентирование на самые передовые технологии, которые особенно востребованы в ракетно-космической технике, авиации, медицине и промышленном управлении. В этих областях техники идет постоянная смена поколений оборудования и систем, совершенствуются характеристики и повышается надежность. Поэтому компания International Rectifier (IR) сосредоточила основные усилия на производстве высоконадежной продукции, которую принято называть продукцией Hi-Rel (High Reliability).


Основные виды продукции Hi-Rel компании IR

В настоящее время номенклатура продукции Hi-Rel насчитывает несколько тысяч изделий. В 2003 году ее доля составила около 15% от общего оборота компании IR. Номенклатура продукции Hi-Rel охватывает все виды силовых полупроводниковых приборов: мощные ключи, микросхемы управления и электроприводы, мощные силовые диоды, стабилизаторы напряжения, преобразователи напряжения. Основные виды продукции Hi-Rel представлены на рис. 1.

Рис. 1. Основные виды Hi-Rel-продукции компании IR
Рис. 1. Основные виды Hi-Rel-продукции компании IR

Производство этой продукции осуществляется в соответствии со следующими стандартами:

  1. MIL-PRF-19500/MIL-STD-750 для полевых приборов;
  2. MIL-PRF-38535/MIL-STD-883 для гибридных модулей;
  3. MIL-PRF-38534/MIL-STD-883 для преобразователей напряжения.

Полупроводниковые приборы для военной техники проходят проверку JANTX и JANTXV, а для космической техники — JANS. Все полупроводниковые приборы подвергаются проверке на соответствие Slach Sheet (детальной спецификации). Для полупроводниковых приборов коммерческого назначения проверка имеет уровень QPL (Qualified Product List), а для приборов, предназначенных для коммерческого космоса, — уровень QIRL (Qualified IR Product List). Этот уровень проверки аналогичен уровню JANS.

Высокое качество и надежность продукции Hi-Rel компании IR общеизвестны, поэтому ведущие компании США и Европы используют ее при создании новых поколений ракетно-космической техники, гражданской и военной авиации, атомной промышленности, медицинской техники и систем связи и навигации.

Дискретные ключевые приборы

Компания IR производит несколько тысяч типов силовых транзисторов MOSFET и IGBT.

Полевые транзисторы MOSFET можно разбить на три группы (см. табл. 1).

В первую группу входят стандартные мощные МОП силовые транзисторы, которые не нормируются на радиационную стойкость. Большую часть этой группы составляют N-канальные приборы. В полевых транзисторах четвертого поколения этой группы для напряжений от 12 до 1000 В использовались кристаллы гексагональной формы размером 5 микрон. В полевых транзисторах пятого, шестого и седьмого поколений для напряжений до 200 В используются кристаллы с полосковой структурой (и формой) с наибольшим размером 0,6 микрон. Полевые транзисторы последних поколений выпускаются, как правило, в герметичном корпусе ТО-257АА и в их маркировке указан номер поколения (например, в транзисторе IRF7Y1405CM содержится кристалл седьмого поколения). Для напряжений 12…55 В имеются транзисторы, которые могут управляться напряжениями, равными напряжениям стандартной логики. Обозначения этих полевых транзисторов начинаются с букв IRL (для пластмассовых корпусов).

Во вторую группу входят радиационно-устойчивые транзисторы, которые выдерживают воздействие суммарной дозы облучения (TID) до 0,1 или 1 Мрад при условии, что импульс ионизирующего излучения не превысит заданную величину (обычно 37 MэВ·см2/мг). Эти транзисторы производятся по технологии Mega-Rad.

В третью группу входят радиационно-устойчивые полевые транзисторы, которые выдерживают воздействие большого одиночного импульса ионизирующего излучения (SEE) до 82 MэВ·см2/мг при ограниченной интегральной дозе облучения (обычно 100 крад). Эти транзисторы производятся по технологии SEE-Hard, которая гарантирует сохранность затвора полевого транзистора от разрушения и кристалла транзистора от выгорания.

Ключевые МОП полевые транзисторы выпускаются в разнообразных корпусах, чтобы удовлетворить наибольшее число запросов разработчиков (рис. 2). Маломощные транзисторы выпускаются как отдельно, так и в виде сборок до четырех транзисторов.

Рис. 2. Основные типы корпусов ключевых МОП-транзисторов
Рис. 2. Основные типы корпусов ключевых полевых транзисторов

Новыми являются корпуса D2, D3, SMD with leads (корпус с дополнительными выводами) и SMD on Carrier (корпус на носителе). Они обеспечивают лучший тепловой контакт с теплоотводом платы.

IGBT биполярные транзисторы работают при более высоких напряжениях и токах. Пока они выпускаются для напряжений 600 и 1200 В при токах до 35 А. В дальнейшем будут освоены более высокие градации напряжений и токов.

Ультрабыстрые силовые диоды и диоды Шоттки

Полупроводниковые приборы этой группы используются в ключевых устройствах силовой электроники. В настоящее время IR производит «стандартные» ультрабыстрые силовые диоды на напряжения 50, 100, 200, 600 и 1200 В и токи от 15 до 100 А, а также диоды Шоттки на напряжения 15, 30, 45, 60, 100 и 150 В и токи от 15 до 100 А при прямом падении напряжения 0,54 В. Эта номенклатура перекрывает все виды приложений, связанных с применением в первичных и оконечных каскадах импульсных источников питания и для их развязки при совместной работе. Корпуса диодов унифицируются с корпусами транзисторов.

Силовые управляющие интегральные схемы (CIC)

В номенклатуре продукции Hi-Rel группа силовых ИС управления представлена высоковольтными драйверами полевых транзисторов и драйверами IGBT биполярных транзисторов.

Драйверы МОП полевых транзисторов

Интегральные драйверы выпускаются в металлокерамических корпусах МО-036АВ, МО-038АВ и Flatpack и корпусах для поверхностного монтажа типа LCC.

Стандартные интегральные драйверы включают драйверы ключей нижнего и верхнего уровней (IR2110E4/L4, IR2113E6/L6), драйвер трехфазного инвертора (IR2130D), автогенераторный (IR2153Z) и драйвер (IR2125Z) с функцией ограничения тока для управления одиночным ключом.

Радиационностойкие интегральные драйверы представлены высоковольтными драйверами ключей верхнего и нижнего уровней RIC7113E4/L4 с током накачки затвора до 2 А. Драйверы этой серии нормированы на устойчивость к воздействию ионизирующего излучения с допустимой интегральной дозой до 100 крад.

Драйверы мощных IGBT модулей

IR производит одиночные оптодрайверы (OM9401SF) с током накачки затвора до 5 А в малогабаритном герметичном планарном металлокерамическом корпусе F12A, а также одиночные негерметичные драйверы в пластмассовых корпусах на керамической подложке с током накачки до 8 А для модулей на напряжения 600 В и 1200 В и токи до 150 А. Помимо более высокого тока накачки затвора драйверы этого типа обеспечивают по сравнению с интегральными и более высокое выходное напряжение (до 32 В вместо 20 В).

Мощные операционные усилители

Приборы этой группы включают 22 типономинала и содержат как одиночные, так и сдвоенные ОУ. Рассеиваемая мощность приборов — 125 Вт, что позволяет обеспечивать выходные импульсные токи от 2 до 10 А при максимальном напряжении питания ±40 В. На инфранизких частотах при разомкнутой петле обратной связи усиление приборов составляет 100 дБ или несколько выше. На высоких частотах усиление спадает со скоростью 20 дБ на декаду и на частоте 1 МГц становится равным единице. Мощные операционные усилители выпускаются в корпусе ТО-3 и более современных герметичных многовыводных корпусах F8B, D8Z, D12, F14L. ОУ предназначены для работы в диапазоне температур от -55 до 125 °С

Стабилизаторы напряжения

Эта группа приборов на сайте фирмы IR имеет название «регуляторы напряжения» и является самой многочисленной. Группа насчитывает 351 типономинал стабилизаторов напряжения со стандартным, низким и ультранизким падением напряжения, не нормируемых на радиационную стойкость и радиационностойких. Приборы производятся в таких же корпусах малой и повышенной мощности, что и ключевые приборы, а также в корпусах для поверхностного монтажа типа LCC Не нормируемые на радиационную стойкость приборы подразделяются на подгруппы со стандартным падением напряжения (около 1 В), c низким падением напряжения (0,5...1 В) и ультранизким падением напряжения (0,3...0,6 В). Все приборы имеют защиту от перегрева, короткого замыкания (с ограничением тока) и обеспечивают стабилизацию выходного напряжения с погрешностью 0,2...1%.

Стабилизаторы со стандартным падением напряжения могут иметь один или два выхода. Стабилизаторы с одним выходом выпускаются с фиксированным напряжением обеих полярностей с выходными напряжениями 5, 12, 15 В (табл. 2) или с подстройкой выходного напряжения в диапазоне от 1,2 до 47 В на выходные токи от 0,5 до 3 А (табл. 3).

Приборы с двумя выходами выпускаются только с фиксированными выходными напряжениями 5, 12 и 15 В и различными сочетаниями уровней и полярностей (табл. 7).

ТАБЛ.7

Стабилизаторы с низким падением напряжения производятся на выходные токи 0,5...7,5 А для фиксированных положительных выходных напряжений 3,3...15 В и отрицательных напряжений -5...-15 В (табл. 4) на токи 0,3...1,5 А или положительных выходных подстраиваемых в двух диапазонах напряжений 2,5...3,6 В (токи 3; 4,5; 7 А) и 3,3…15 В (токи 1,5; 3; 5; 7,5 A) (табл. 5).

Таблица 5. Стабилизаторы с низким падением напряжения и регулируемым Uвых
Таблица 5. Стабилизаторы с низким падением напряжения и регулируемым Uвых

Стабилизаторы со сверхнизким падением напряжения выпускаются на токи 3…10 А только с подстраиваемым выходным напряжением в диапазоне 1,2...20 В (табл. 6).

Таблица 6. Стабилизаторы со сверхнизким падением напряжения и регулируемым Uвых
Таблица 6. Стабилизаторы со сверхнизким падением напряжения и регулируемым Uвых

Приборы, нормируемые на радиационную стойкость, подразделяются на подгруппы радиационноустойчивых приборов со стандартным падением напряжения и радиационностойких с низким падением напряжения.

Приборы первой подгруппы могут иметь фиксированные напряжения (+3,3 или ±5, 12, 15 В) при выходном токе 0,5…3 А (табл. 8) или подстраиваемые в широких пределах напряжения при выходных токах до 7,5 А (табл. 9). Радиационноустойчивые приборы этой подгруппы нормируются на устойчивость к ионизирующему излучению с интегральными дозами 30, 50 и 300 крад.

Приборы второй группы были специально разработаны для питания от шины с напряжением 5...6 В. Стабилизаторы этой подгруппы обеспечивают фиксированное выходное напряжение со стандартными уровнями 1,8; 2,5 или 3,3 В (табл. 10) либо подстройку выходного напряжения в диапазоне 1,2…5 В при типовом падении напряжения 0,4 В и выходном токе 3 А (табл. 11). Это позволяет заменять более крупные POL-конвер-торы при питании современных микропроцессоров и периферии. Диапазон допустимых интегральных доз составляет от 200 крад до 1 Мрад.

Таблица 10. Радиационностойкие стабилизаторы с низким падением напряжения и фиксированным Uвых
Таблица 10. Радиационностойкие стабилизаторы с низким падением напряжения и фиксированным Uвых
Таблица 11. Радиационностойкие стабилизаторы с низким падением напряжения и регулируемым Uвых
Таблица 11. Радиационностойкие стабилизаторы с низким падением напряжения и регулируемым Uвых

Мультичиповые силовые модули

Компания IR производит разнообразные силовые модули (стандартные и радиационностойкие), а также функционально законченные устройства (например, регуляторы для БДПТ). Силовые модули производятся в металлостеклянных и герметичных пластмассовых и керамических корпусах (рис. 3).

Рис. 3. Корпуса герметичных силовых модулей
Рис. 3. Корпуса герметичных силовых модулей

Большая часть силовых модулей компания производит в виде заказных изделий. Металл остеклянные корпуса М-12, МО-78, F-12, F-14, PB-3A применяются при изготовлении радиационностойких силовых модулей на базе кристаллов МОП полевых транзисторов с уровнем радиационной стойкости 100 крад. Одиночные ключи, полумосты или мосты с сопротивлением канала от 11 мОм производятся на напряжения от 50 до 400 В и на токи 15…45 А. Все эти силовые модули применяются, как правило, в силовых каскадах бортового электропривода для коллекторных и бесколлекторных трехфазных двигателей постоянного тока (БДПТ). Для электропривода более мощных асинхронных двигателей и БДПТ с питанием от шин постоянного тока с напряжениями 330…550 В готовится производство силовых модулей в герметичном корпусе Hi-Rel Pack и менее дорогом квазигерметичном корпусе Power Pack. В новых силовых модулях будут использоваться кристаллы ультрабыстрых IGBT 4-го поколения. Рабочий диапазон частот ШИМ до 40 кГц позволит применять эти модули не только в электроприводе, но и в мощных импульсных источниках питания. Корпуса Hi-Rel Pack выдерживают токи до 300 А. Предполагаемая номенклатура силовых модулей нового поколения в этом типе корпуса будет состоять из одиночных ключей Co-Pack и полумостовых модулей на токи до 300 А при напряжении 600 В и 200 А при напряжении 1200 В. Более легкий и низкопрофильный квазигерметичный Power Pack нормирован на токи до 600 А. В корпусе этого типа предполагается выпускать одиночные ключи и полумосты на токи 450 А и 150 А для напряжений 600 В и 1200 В соответственно.

Приборами с более высокой степенью интеграции являются интеллектуальные силовые модули - регуляторы для БДПТ в герметичных, индустриальных корпусах и бескорпусном исполнении (рис. 4).

Рис. 4. Регуляторы бесколлекторных двигателей постоянного тока
Рис. 4. Регуляторы бесколлекторных электродвигателей постоянного тока

Они содержат силовой трехфазный инвертор, драйверы затворов МОП полевых транзисторов, интерфейсы для связи с управляющим контроллером, узлы защиты от перегрева, перегрузки по току и т. д.

Бескорпусные реверсивные регуляторы скорости вращения БДПТ серии ОМ507 выпускаются в виде печатной платы диаметром 64 мм, размещаемой на щитке двигателя. Приборы этой серии предназначены для работы от бортовой сети 28 В постоянного тока и обеспечивают выходной ток до 5 А.

Приборы серии ОМ506 в малогабаритном индустриальном корпусе МР-3Т дополнительно содержат контроллер скорости вращения бесколлекторных электродвигателей МС33035, что обеспечивает простую реализацию тахо-метрического привода с управлением аналоговым сигналом напряжением до 5 В. Приборы этой серии обеспечивают ток в двигателе до 10 А при работе в сети 28 В постоянного тока и предназначены для работы в диапазоне температур от -25 до 85 °С

Наиболее универсальны в применении приборы серии ОМ9300. Они выпускаются в индустриальном корпусе МР-43L (температурный диапазон от -25 до 85 °С) и в герметичном F-43 (температурный диапазон от -55 до 125 °С) и способны работать во всех современных сетях бортового питания (шины 28, 48, 74, 270 или 330 В постоянного тока). Все модули нормированы на выходной ток до 25 А. В силовых модулях с напряжением питания до 74 В используются кристаллы полевых транзисторов, в остальных — кристаллы IGBT биполярных транзисторов.

Гибридные преобразователи напряжения

В настоящее время серийно производится около 200 типов преобразователей напряжения и сетевых фильтров в различных корпусах (рис. 5). Для повышения функциональной надежности они имеют встроенную защиту от перегрузки по току, перенапряжения, низкого напряжения сети и функцию мягкого пуска. Для повышения надежности приборов в условиях радиационного воздействия в каскадах преобразователей напряжения применяется электромагнитная обратная связь. Основной диапазон рабочих частот преобразования составляет 500…700 кГц, что обеспечивает минимальные габариты изделий, высокие динамические характеристики и упрощает конструкцию фильтров. Во многих типономиналах преимущество по выходной мощности составляет до 30% по сравнению с аналогами других фирм при равноценных объемах корпуса. Средняя наработка на отказ составляет более миллиона часов. Приборы этой группы совместимы со всеми современными бортовыми сетями. Они обеспечивают простую синхронизацию работы и объединение в группы для наращивания выходной мощности.

Рис. 1. Развитие технологии IGBT
Рис. 1. Примеры корпусов преобразователей напряжения

Основные характеристики преобразователей напряжения приведены в таблицах 12 и 13.

Все семейство преобразователей напряжения можно разделить на три группы: стандартные, радиационноустойчивые и радиационно-стойкие.

Группа стандартных преобразователей напряжения состоит из подгрупп приборов малой, средней и повышенной мощности.

Преобразователи напряжения малой мощности представлены серией конверторов ASA с выходной мощностью 5 Вт. Конверторы этой серии выпускаются с одним или двумя выходами. Диапазон входных напряжений 16...40 В, выходные напряжения 5, 12 или 15 В для одного выхода и ±5, ±12 или ±15 В для двух выходов. Приборы серии ASA имеют защиту от короткого замыкания и перегрузки по току. Благодаря достаточно высокой частоте преобразования (550 кГц) и простой схемотехнике габариты низкопрофильного DIP-корпуса составляют всего 27x27x7 мм, а масса — менее 20 г.

Преобразователи напряжения средней мощности представлены преобразователями с выходной мощностью 8...12 Вт (серия AMF), 15 Вт (серии AHV, ATO) и 30 Вт (серии ATR, ATW). Преобразователи напряжения с одним и двумя выходами имеют такие же выходные напряжения, как и приборы серии ASA, а для трех выходов используются комбинации 5 и ±5 В, 5 и ±12 В или 5 и ±15 В. Они предназначены для работы в сети с номинальным напряжением 28 В постоянного тока. Частота преобразования 550 кГц. В зависимости от выходной мощности масса приборов составляет от 35 до 75 г, а объем корпуса — от 7 до 29 см3. Средний уровень КПД у этих преобразователей напряжения составляет около 80%.

DC-DC преобразователи напряжения повышенной мощности являются наиболее сложными и относятся к третьему поколению DC-DC преобразователей напряжения. Они представлены приборами серии AFL. Преобразователи напряжения этой серии при выходной мощности 120 Вт имеют плотность энергии 84 Вт/дюйм3 (габариты корпуса 76x39x9 мм, масса 95 г). Это более чем на 20% выше, нежели у конкурирующих приборов. Конверторы серии AFL способны работать со всеми типами бортовых сетей (номинальные напряжения 28, 50, 120 и 270 В постоянного тока), имеют до 2 выходов с напряжениями 3,3; 5; 6; 9; 12; 15 и 28 В обеих полярностей и обеспечивают преобразование любого из напряжений сети в любое выходное с КПД до 87% (включая преобразование из 270 в 3,3 В). Высокие динамические свойства и выходная мощность конверторов этой серии позволяют использовать их для питания всех современных типов цифровых устройств. В конверторах предусмотрена и возможность синхронизации для параллельной работы нескольких приборов на общую нагрузку. Четыре варианта расположения выводов позволяют разработчикам оптимально размещать преобразователь напряжения и нагрузку.

Группа радиационноустойчивых DC-DC преобразователей напряжения представлена сериями приборов малой и средней мощности. Основной областью приложения этих приборов является бортовая аппаратура спутников нового поколения, работающих на низких орбитах, а также ракетная техника. Типовой уровень допустимой интегральной дозы составляет 25… 30 крад при ограничении на импульс излучения 37…60 МэВ·см2/мг. Конверторы серий AMA (5 Вт), AMF (12 Вт) и AMR (30 Вт) предназначены для работы с бортовой сетью 28 В постоянного тока. Они имеют до 3 выходов с напряжениями от 3,3 до 15 В. Специально для применения в новых коммерческих спутниках сетями 50 и 70 В постоянного тока разработаны серии DC-DC преобразователей напряжения M3L (мощность 25 Вт, масса 75 г) и M3H (40 Вт, 125 г).

Группа радиационностойких DC-DC преобразователей напряжения имеет выходную мощность — от 10 до 50 Вт. Основной областью применения этих приборов является космическая, военная техника и атомная промышленность. Минимальный уровень допустимой интегральной дозы составляет 100 крад при импульсе излучения не более 83 МэВ·см2/мг. Маломощные конверторы серии S (10 Вт) предназначены для коммерческих приложений с жесткими ограничениями на массу и объем (малоразмерные спутники). DC-DC преобразователи напряжения имеют массу около 50 г, малые габариты и один или два выхода с номинальными выходными напряжениями от 3,3 до 15 В обеих полярностей.

Серия DC-DC преобразователей напряжения Z с выходной мощностью 50 Вт была специально разработана для приложений, связанных с питанием процессоров в аппаратуре коммерческих спутников с напряжением сети 28 В постоянного тока. DC-DC преобразователи напряжения имеют единственный выход с номинальными выходными напряжениями 1,5; 2,5 или 3,3 В при выходном токе 20 А. В схеме конверторов предусмотрена возможность высокоточной подстройки выходного напряжения.

Преобразователи напряжения серий ART и ARM (мощность 30 Вт) обладают наиболее высокой устойчивостью к радиационному воздействию. Допустимая интегральная доза для первой серии составляет 200 крад, а для второй — до 1 Мрад.

В данное семейство включена группа сетевых фильтров — вспомогательных устройств, которые выполняют важную функцию подавления помех.

Группа сетевых фильтров представлена 8 сериями приборов и предназначена для совместной работы со всеми типами выпускаемых компанией преобразователей напряжения  за исключением тех, которые имеют встроенные фильтры (серии M3x, Z). Сетевые фильтры представляют собой фильтры нижних частот, рабочая полоса которых находится в пределах от нуля до нескольких сотен килогерц. Средний уровень подавления помех составляет 40 дБ на частоте 100 кГц, а на более высоких частотах он выше. От сигнальных фильтров они отличаются тем, что катушки индуктивности должны быть рассчитаны на прохождение больших постоянных токов. Фильтры производятся на диапазон входных напряжений от 40 до 100 В (токи от 0,42 до 15 А).


Скачать статью в формате PDF

Скачать статью в формате PDF 2004_02_16.pdf  

 
ПОДПИСКА НА НОВОСТИ

Оцените, пожалуйста, удобство и практичность (usability) сайта:
Хорошо
Нормально
Плохо