Силовая электроника №2'2004

Силовые модули SEMITOP как альтернатива дискретным корпусам ТО

Андрей Колпаков


Основные усилия разработчиков компании SEMIKRON направлены на удовлетворение жесточайшим требованиям, предъявляемым к современным компонентам силовой электроники. Прежде всего, это требования по надежности, энергосбережению и электромагнитной совместимости. Компания SEMIKRON известна в первую очередь благодаря своим уникальным разработкам в области силовых компонентов высокой мощности. Однако в производственной программе фирмы имеются силовые модули SEMITOP, предназначенные для использования в маломощных применениях.


В производственной программе SEMIKRON маломощные силовые модули SEMITOP являются самыми малогабаритными. Они рассматриваются как альтернатива дискретным транзисторам в корпусах ТО — наиболее популярным компонентам для разработки и производства преобразователей мощностью до 3-5 кВт. Модули SEMITOP выпускаются по уникальной прижимной технологии SKiiP, разработанной SEMIKRON и позволяющей обеспечить хорошие тепловые характеристики и высокие показатели надежности.

Особенности силовых модулей SEMITOP

Низкое тепловое сопротивление «кристалл -теплосток» Rthjh

Модули SEMITOP не имеют базовой несущей платы, соответственно, отсутствует градиент температуры, создаваемый тепловым сопротивлением Rthcs «корпус — теплоотвод». В основании модуля находится керамическая DCB-плата из оксида алюминия Al2O3, на которой расположены силовые кристаллы IGBT. Прижимная технология SKiiP предусматривает, что керамическое основание располагается непосредственно на радиаторе и тепловая связь с ним осуществляется только с помощью механического прижима. При этом за счет оптимального распределения прижимающего усилия и исключения базовой платы обеспечивается низкое тепловое сопротивление «кристалл — тепло-сток» и, соответственно, высокое значение плотности тока. Для силовых модулей SEMITOP не определяется значение теплового сопротивления «кристалл — корпус» Rthjc, поскольку отсутствует корпус, как теплопроводящий элемент конструкции.

Высокая устойчивость к термоциклированию

Как показали результаты многочисленных испытаний на воздействие повторяющихся перепадов температуры (термоциклирование), основной причиной отказов силовых модулей стандартной конструкции является разрушение связи между керамической

DCB-платой и медным основанием силового модуля. Это является следствием существенной разницы в коэффициентах теплового расширения материалов керамики (оксид алюминия или нитрид алюминия) и меди. Исключение базовой платы из конструкции силового модуля решает эту проблему в принципе, обеспечивая значительное увеличение количества термоциклов, которое может выдержать модуль, не выходя из строя.

Новейшие технологии кристаллов IGBT

В силовых модулях IGBT SEMITOP используются кристаллы NPT IGBT силовых транзисторов производства АВВ и кристаллы антипараллельных диодов CAL, разработанные фирмой SEMIKRON. Гомогенная структура NPT IGBT имеет очевидные достоинства, в частности, это высокая стойкость к короткому замыканию, положительный температурный коэффициент напряжения насыщения, прямоугольная область безопасной работы RBSOA (Reverse Biased Safe Operating Area). Диоды CAL (Controlled Axial Lifetime) достаточно хорошо согласованы по своим характеристикам с NPT-транзисторами, обеспечивают минимальные потери проводимости и переключения. Их особенностью является плавный процесс обратного восстановления, способствующий минимизации уровня радиопомех. В модулях SEMITOP также применяются кристаллы UltraFast MOSFET транзисторов, а в каскадах выпрямителей используются силовые диоды и тиристоры с высоким значением тока перегрузки.

Простая и удобная конструкция силовых модулей SEMITOP

Для установки на радиатор модулей SEMITOP во всех исполнениях служит один крепежный винт. Равномерное распределение прижимного усилия и хороший отвод тепла обеспечиваются конструкцией корпуса силового модуля. Оптимальное взаимное расположение кристаллов силовых транзисторов и диодов позволяет получить минимальное значение распределенной индуктивности силовых шин.

Внешний вид и размеры трех типов SEMITOP приведены на рис. 1. Силовые модули SEMITOP выпускаются практически во всех известных конфигурациях схем, что позволяет пользователю выбрать для себя элемент с требуемой схемой. Один модуль SEMITOP заменяет от 2 до 12 корпусов ТО. Тип конфигурации элемента включен в его обозначение, возможные варианты приведены ниже:

Тиристорные, диодные модули:

  • KD — полумост;
  • ND — два диода с общим анодом;
  • KQ — однофазный АС-ключ;
  • KT — полумост;
  • UT — трехфазный АС-ключ;
  • NT — два тиристора с общим анодом;
  • KH, KL — полууправляемый полумост;
  • В/D — однофазный/трехфазный диодный мост;
  • BT/DT — однофазный/трехфазный ти-ристорный мост;
  • BН/DН — однофазный/трехфазный полууправляемый мост.

Модули MOSFET / IGBT (первая буква G — IGBT, M — MOSFET):

  • GA — одиночный ключ;
  • GB/GH/GD — полумост/мост/3-фазный мост;
  • GAH — несимметричный полумост;
  • GAL/GAR — чоппер нижнего/верхнего плеча;
  • GM — два IGBT транзистора с общим эмиттером.

Модули CIB (Converter — Inverter — Brake):

  • BGDL/DGDL —  1/3-фазный выпрямитель, чоппер, 3-фазный инвертор;
  • BGB —  1-фазный выпрямитель, полумост;
  • DGL — 3-фазный выпрямитель, чоппер;
  • DGAH — 3-фазный выпрямитель, чоппер верхнего и нижнего плеча.

SEMIKRON является пионером в разработке и производстве силовых модулей прижимной конструкции, изготовленных по технологии «pressure-contact» без базовой платы. Большинство силовых модулей SEMIKRON, в том числе и наиболее популярные интеллектуальные силовые модули SKiiP с током до 2400 А, изготавливаются по данной технологии, позволяющей получить отличные тепловые характеристики и обеспечить высокую стойкость изделия к воздействию тепловых ударов.

Конструкция силовых модулей SEMITOP и направление прижимающего усилия показаны на рис. 2 и 3. Кристаллы IGBT транзис-торов и CAL-диодов установлены на керамической плате из оксида алюминия AL2O3 толщиной 0,63 мм. На керамику методом диффузии нанесены медные слои толщиной 0,3 мм: сверху это шины связи, снизу омеднение сплошное — нижний слой выполняет функции экрана и улучшает теплоотдачу. По сравнению с транзисторами в изолированных корпусах ТО-220 модули SEMITOP с аналогичным размером кристалла имеют на 30% меньшее тепловое сопротивление «кристалл — теплосток», как показано на рис. 4 (типовые значения для кристалла 18 мм2). Преимущество в тепловых характеристиках наблюдается при всех размерах используемых кристаллов, что демонстрируют графики, приведенные на рис. 5. На рисунке показаны измеренные и справочные (datasheet) значения Rthjs.

Рис. 2. Конструкция модулей SEMITOP, направление прижимающего усилия
Рис. 2. Конструкция силовых модулей SEMITOP, направление прижимающего усилия
Рис. 3. Внутренняя структура модулей SEMITOP (слева — CIB, справа — полумост)
Рис. 3. Внутренняя структура силовых модулей SEMITOP (слева — CIB, справа — полумост)
Рис. 4. Соотношение тепловых сопротивлений модулей SEMITOP и транзисторов в корпусах ТО-220
Рис. 4. Соотношение тепловых сопротивлений силовых модулей SEMITOP и транзисторов в корпусах ТО-220
Rthjc — сопротивление «кристалл — корпусе
Rthcs — сопротивление «корпус — теплоотвод»
Rthjc — сопротивление «кристалл — теплоотвод»
Рис. 5. Зависимость теплового сопротивления Rthjs от размеров кристалла для модулей SEMIT0P и транзисторов в корпусах ТО-247
Рис. 5. Зависимость теплового сопротивления Rthjs от размеров кристалла для силовых модулей SEMIT0P и транзисторов в корпусах ТО-247

Меньшее значение теплового сопротивления означает, прежде всего, что транзисторы с тем же размером кристалла допускают большее значение тока или имеют меньший перегрев при аналогичном токе. Из-за отсутствия базовой платы для модулей SEMITOP в технических характеристиках определяется только тепловое сопротивление Rthjs (Rthjh) «кристалл — теплоотвод». Тепловые модели SEMITOP включены в базу моделей программы автоматического теплового расчета SemiSel, что позволяет пользователю без особых усилий выбрать элемент для своей схемы и проанализировать режимы его работы в конкретных условиях эксплуатации.

В качестве примера, демонстрирующего преимущества тепловых характеристик «безбазового» модуля, можно привести сравнение теплового сопротивления Rthjh «кристалл — теплоотвод» транзистора новейшего поколения NPT IXER 35N120D1 фирмы IXYS в изолированном корпусе ISOPLUS-247 и модуля SEMITOP 2 SK 40 GB 123. Данное сравнение корректно еще и потому, что площадь основания силового модуля SEMITOP 2 (40x28 мм), содержащего 2 транзистора в полумостовом включении, соизмерима с местом, занимаемым 2 транзисторами в корпусе ISOPLUS-247 (40x32 мм). Эти изделия имеют сходные электрические характеристики, но тепловое сопротивление Rthjh для транзистора равно 1,2 С/Вт (номинальное значение), а у силового модуля SEMITOP Rthjh = 1,0 С/Вт (максимальное значение).

При сборке силовых модулей SEMITOP допускается два способа монтажа: распайка модулей на печатной плате с последующим креплением к радиатору и установка модулей на радиатор с последующим монтажом на печатную плату, как показано на рис. 6.

Рис. 6. Сборка модуля SEMITOP
Рис. 6. Сборка силового модуля SEMITOP

Применение силовых модулей с керамическим основанием накладывает особые требования на качество поверхности радиатора. Неравномерность поверхности теплоотвода для обеспечения заданных тепловых характеристик не должна превышать 20 мкм, шероховатость — 6 мкм, а толщина слоя теплопрово-дящей пасты должна составлять 20…25 мкм для модулей SEMITOP 1, 30…35 мкм для SEMITOP 2, 40…55 мкм для SEMITOP 3. SEMIKRON рекомендует использовать для своих модулей теплопроводящую пасту марки Wacker-Chemie P12. Нанесение пасты луч-ше всего производить с помощью жесткого резинового ролика или трафарета, толщина слоя должна быть проконтролирована с помощью специальных измерительных калибров (например, фирмы Fa. ELCOMETER Instruments GmbH).

Для того чтобы упростить технологический процесс нанесения пасты для силовых модулей SEMITOP в качестве опции предлагается специальный сухой теплопроводящий компаунд, наносимый на поверхность модуля с помощью «точечного» трафарета (см. рис. 7).

Рис. 7. Теппоотводящая поверхность модуля SEMITOP с сухим теплопроводящим компаундом в исходном состоянии (внизу) и после нагрева (вверху)
Рис. 7. Теппоотводящая поверхность силового модуля SEMITOP с сухим теплопроводящим компаундом в исходном состоянии (внизу) и после нагрева (вверху)

После установки модуля на радиатор он нагревается до температуры 43 °С, и сухой компаунд растекается по поверхности модуля, вытесняя воздух и заполняя все полости. Особый способ нанесения компаунда гарантирует его равномерное распределение по поверхности. При этом толщина слоя выдерживается на необходимом уровне с высокой точностью. Специальный термогравиметрический анализ теплового контакта показал, что тепловые характеристики компаунда остаются стабильными при температуре до 400 °С

Наиболее интересной для разработчиков конфигурацией силового модуля является схема CIB (Converter, Inverter, Brake), объединяющая выпрямительный мост, 3-фазный инвертор и каскад торможения. Схема CIB является базовой для построения привода; специально для данного применения фирмой SEMIKRON выпущено новое поколение силовых модулей SEMITOP CIB (внешний вид модуля показан в левой части рис. 3), имеющих следующие основные отличия от серийно выпускаемых изделий:

 

  • допустимая плотность тока повышена на 50%;
  • габариты снижены на 34%;
  • повышена стойкость к термоциклирова-нию;
  • снижено тепловое сопротивление;
  • уменьшено значение распределенной индуктивности шин за счет оптимизации топологии.

Ожидается, что стоимость новых компонентов по сравнению с модулями, имеющими аналогичные характеристики, должна быть меньше на 20%. Этому способствует в первую очередь то, что при производстве новых изделий используются отработанные и проверенные технологические процессы. Единственное конструктивное отличие новых модулей состоит в том, что в них применен многослойный монтаж: дополнительные переходные платы упрощают топологию соединений и способствуют снижению паразитных индуктивностей. При этом поверхность основной DCB-платы более эффективно используется для размещения силовых шин и отдачи тепла на радиатор.

Основные технические характеристики силовых модулей нового поколения приведены в таблице 1. Таблица 2 демонстрирует, как модули меньшего типоразмера SEMITOP 2 могут заменить по значению предельного тока выпускаемые в настоящее время модули SEMITOP 3.

Таблица 2. Сравнительные характеристики выпускаемых модулей SEMITOP 3 и SEMITOP 2 нового поколения
Таблица 2. Сравнительные характеристики выпускаемых силовых модулей SEMITOP 3 и SEMITOP 2 нового поколения

Как и все компоненты, производимые SEMIKRON, модули SEMITOP проходят 100%-й выходной контроль. В таблице 3 приведены виды и условия испытаний на надежность, которым подвергаются после изготовления модули SEMITOP.

Таблица 3. Виды и условия испытаний модулей SEMITOP
Таблица 3. Виды и условия испытаний модулей SEMITOP

Заключение

Дискретные транзисторы и маломощные модули MOSFET / IGBT находят широкое применение в изделиях бытовой техники: стиральных машинах, кондиционерах, пылесосах, системах управления освещением и т. д.

Несомненным преимуществом интегральных модулей является то, что транзисторы в них соединены в определенной конфигурации, что упрощает сборку и обеспечивает минимальное значение распределенных ин-дуктивностей и, следовательно, уменьшение переходных перенапряжений при переключении. Данное преимущество наглядно демонстрирует рис. 8, на котором показан процесс сборки 3-фазного инвертора в случае применения дискретных транзисторов и модуля SEMITOP. При использовании транзисторов необходимо большее количество крепежных элементов и изолирующих подложек, требуется строгий контроль сопротивления изоляции и напряжения пробоя. Сам процесс соединения транзисторов неизбежно удорожает сборку, а наличие распределенных индуктивностей проводов приводит к появлению переходных перенапряжений.

Рис. 8. Сборка 3-фазного инвертора: A—дискретные транзисторы ТО-220, В - модель SEMITOP
Рис. 8. Сборка 3-фазного инвертора: A—дискретные транзисторы ТО-220, В - модель SEMITOP

Общие затраты при использовании дискретных транзисторов и модулей SEMITOP можно сравнить с помощью графиков, приведенных на рис. 9. Расчеты расходов производились для объема выпуска 10 тыс/год, за единицу приняты расходы на изготовление привода двигателя постоянного тока на дискретных транзисторах (DC-привод). Обратите внимание, что стоимость материалов при использовании интегрального модуля выше, чем при использовании транзисторов ТО. Например, при изготовлении 3-фазного инвертора привода бесколлекторного двигателя постоянного тока (BLDC — Brushless DC drive) стоимость комплектующих при использовании модулей выше примерно на 25%. Подобная разница всегда имеет место при сравнении стоимости интегрального модуля и набора дискретных компонентов. Однако, с учетом расходов на разработку и изготовление, стоимость изделия с модулем может оказаться ниже. При этом здесь не учитываются такие параметры, как надежность изделия и уровень электромагнитной совместимости, которые при применении интегральных компонентов неизбежно оказываются выше.

Рис. 9. Сравнение затрат при использовании дискретных корпусов ТО и модулей SEMITOP при объеме выпуска 10 тыс./год
Рис. 9. Сравнение затрат при использовании дискретных корпусов ТО и модулей SEMITOP при объеме выпуска 10 тыс./год

Изделия, аналогичные силовым модулям SEMITOP, выпускаются рядом фирм, это, например, серии EasyPACK и EasyPIM (EUPEC) или FlowPACK и FlowPIM (Tyco). При прочих равных условиях компоненты SEMIKRON выгодно отличает их «безбазовая» конструкция, обеспечивающая компонентам высокие показатели надежности, особенно в жестких условиях эксплуатации. Модули SEMITOP широко применяются в продукции компаний Segway, LG Electronics, ALCATEL. По данным исследований рынка силовых полупроводниковых компонентов «The world-wide 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. Существенным достоинством модулей SEMITOP является необычайно высокое количество конфигураций, перекрывающих практически все потребности разработчиков. Если рынок предъявляет новые требования — SEMIKRON реагирует соответственно и в его производственной программе появляются новые компоненты. Например, рост популярности вентильных индукторных двигателей привел к разработке модуля SEMITOP SK 25 GAD 063 со схемой, ориентированной на данный тип двигателей (рис. 10). Многие производители электронной аппаратуры справедливо считают, что на этапе разработки использование дискретных компонентов более оправдано. Однако снижение издержек при серийном производстве, упрощение процесса изготовления и более высокие показатели надежности, несомненно, стоят того, чтобы в конечном итоге отдать предпочтение интегральным модулям.  

Рис. 10. Схема модуля SEMITOP SK 25 GAD 063
Рис. 10. Схема силового модуля SEMITOP SK 25 GAD 063

Литература

  1. SEMITOP. Cool Components. SEMIKRON International.
  2. SEMITOP. Mounting instructions. SEMIKRON International.
  3. Thomas Grasshoff. SEMITOP presentation materials. SEMIKRON International.
  4. Колпаков А.И. Принципы работы и особенности программы теплового расчета SEMISEL // Электронные компоненты. 2004. № 6.
*  *  *

Другие статьи по этой теме


Скачать статью в формате PDF

Скачать статью в формате PDF 2004_02_32.pdf  

 
ПОДПИСКА НА НОВОСТИ

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