Силовая электроника №1'2005

Новые высокоточные силовые модули таблеточного исполнения IGBT компании Westcode

F. Wakeman, G. Lockwood, LeJeune
Перевод Иван Полянский


В данной статье рассмотрены основные характеристики press-pack IGBT фирмы Westcode, показаны возможности построения различных преобразователей на их основе. Предложенный материал является базовой информацией, необходимой для понимания возможностей и задач данной технологии. Стоит отметить, что рассмотренные силовые транзисторы являются первым поколением, серийно освоенным компанией, которая в настоящее время предлагает press-pack IGBT на напряжения 2500, 4500 и 5200 В в трех типах корпусов: 47, 75 и 100 мм.


IGBT силовые модули таблеточного исполнения разрабатывались для отказоустойчивых приложений, в которых не могут быть использованы обычные силовые модули. Технология изготовления устройства на 400 А, 1800 В в 47 мм таблеточном корпусе показала хорошие электромеханические характеристики [1]. Характеристики термоциклирования такого изделия оказались равными или превосходящими стандартные технологии press-pack [6].

Рис. 1. Результаты термоциклирования
Рис. 1. Результаты термоциклирования

На рис. 1 показаны результаты испытания на термоциклы устройства размером 47 мм. На графике показаны четыре точки, в которых происходило тестирование образцов на перепад температуры ΔT = 45 °C и затем ΔT = 85 °C, где тестирование прекращалось до момента выхода образца из строя. Тест был продолжен при ΔT = 135 °C и прекращен после выхода из строя одного из двух образцов, прошедших 115х103 термоциклов. Рисунок содержит также информацию о термоциклировании силовых модулей на изолированном основании (пунктирная линия). Расчетное значение времени жизни устройства press-pack может быть получено из формулы Коффина-Мэнсона:

Из данной модели можно заключить, что возможности термоциклирования устройств press-pack могут быть значительно, иногда на несколько порядков, лучше, чем у модулей на изолированном основании.

Press-pack силовые модули IGBT изготовлены в стандартных герметичных корпусах и могут быть легко использованы для модернизации имеющегося оборудования с сохранением системы охлаждения и конструкции. Система охлаждения может быть принудительной воздушной, жидкостной (рис. 2, 3) или полностью погруженной, например, в масло.

Рис. 2. Конструкция модуля с жидкостной системой охлаждения
Рис. 2. Конструкция силового модуля с жидкостной системой охлаждения
Рис. 3. Конструкция с жидкостной системой охлаждения (одна фаза)
Рис. 3. Конструкция с жидкостной системой охлаждения (одна фаза)

Использование стандартных корпусов позволяет применять стандартные системы охлаждения, крепления и сокращает стоимость и время разработки.

Концепция больших устройств силовые модули press-pack IGBT [7] демонстрирует возможность данной технологии обеспечить полный спектр мощностей, востребованных в настоящее время. Освоение корпуса размером 47 мм позволило быстро выпустить изделия в корпусе 75 мм и приступить к дизайну устройств диаметром 100 мм. На рис. 4 показан корпус 75 мм; больший корпус отличается только габаритами.

Рис. 4. Размеры корпуса диаметром 75 мм
Рис. 4. Размеры корпуса диаметром 75 мм

Внутренняя конструкция силовых модулей press-pack IGBT

В корпусе 75 мм представлен большой спектр новых силовых модулей press-pack IGBT. Новые изделия имеют ту же базовую конструкцию, что и 47-миллиметровые модули [1–6]. Одна ячейка такого модуля в сборе показана на рис. 5, а ее составные части — на рис. 6.

Рис. 5. Ячейка с кристаллом в сборе
Рис. 5. Ячейка с кристаллом в сборе
Рис. 6. Вертикальное расположение элементов ячейки
Рис. 6. Вертикальное расположение элементов ячейки

На рис. 7 изображен полный силовой модуль, состоящий из 24 кристаллов: 18 силовых транзисторов IGBT и 6 диодов.

Рис. 7. Корпус диаметром 75 мм с электродами управления в сборе
Рис. 7. Корпус диаметром 75 мм с электродами управления в сборе

Контакт с управляющими затворами осуществляется посредством специальной конструкции, закрепленной в основании модуля (рис. 8), контакты с каждым затвором реализованы прижимом специального электрода.

Рис. 8. Расположение платы подачи управляющих сигналов на затворы для корпуса 75 мм
Рис. 8. Расположение платы подачи управляющих сигналов на затворы для корпуса 75 мм

Эти электроды располагаются в окнах ячеек для кристаллов (рис. 9), выступая над кассетой, как показано в правом верхнем углу рис. 7.

Рис. 9. Устройство внутренней ячейки 100-миллиметрового корпуса
Рис. 9. Устройство внутренней ячейки 100-миллиметрового корпуса

В дополнение к версии 75 мм разработан корпус 100 мм, который содержит 37 ячеек и имеет две модификации: все чипы IGBT с общим током до 3000 А и 28 IGBT с девятью диодами с током 2200 А. Для корпуса 100 мм было найдено немного другое конструктивное решение: предпочтительнее изготовить индивидуальную ячейку для каждого кристалла, нежели располагать их в общей кассете, — это упрощает предварительное тестирование кристаллов в процессе сборки. Каждая кассета устанавливается эмиттерным электродом на выступающие основания (рис. 10).

Рис. 10. Конструкция корпуса 100 мм с эмиттерными контактами
Рис. 10. Конструкция корпуса 100 мм с эмиттерными контактами

Методика подключения управляющих электродов идентична той, которая применена в корпусе 75 мм. Модифицированная конструкция предлагает большую гибкость в построении модулей нужной конфигурации. Одна стандартная ячейка может быть использована во всех типах корпусов и быстро заменена при тестировании и сборке.

В то же время требования к антипараллельному диоду различны в разных приложениях, и для его установки требуется изменение эмиттерного контакта и платы распределения затворных контактов, хотя для диодов применяется унифицированная кассета. Это не означает, что можно быстро получить нужную конфигурацию IGBT с диодами, но сокращает время и стоимость разработки законченного изделия по предъявляемым требованиям.

Электрические характеристики

Большой спектр обозначенных IGBT силовых модулей использует один и тот же тип кристаллов 1800 В, 80 А. Эти кристаллы разработаны специально для монтажа press-pack, имеют специальную металлизацию и структуру затвора, встроенный резистор, и могут быть использованы в разных типах корпусов.

Встроенный резистор затвора имеет ряд свойств, позволяющих увеличить эффективность использования силовых модулей press-pack IGBT в специфических приложениях. Сравнительно низкое сопротивление встроенного резистора, порядка одного ома, увеличивает максимальную частоту в режиме мягких переключений, что востребовано в оборудовании для индукционного нагрева. Эта особенность требует правильного выбора внешнего резистора затвора в схемах драйвера для исключения больших dv/dt при запирании в режиме жестких переключений.

Резистор затвора также имеет значительно более низкий температурный коэффициент, нежели кремниевые резисторы, используемые в большинстве силовых модулей (рис. 11).

Рис. 11. Температурная зависимость последовательного резистора press-pack IGBT (Д1-А4) и модуля на изолированном основании (В1-В2 и С1-С2]
Рис. 11. Температурная зависимость последовательного резистора press-pack IGBT (Д1-А4) и модуля на изолированном основании (В1-В2 и С1-С2]

Это особенно важно в случае, когда резистор изготовлен на кристалле и работает в полном диапазоне температур IGBT. Как видно на рис. 11, температурный коэффициент А1-А4 значительно меньше того, что используется в стандартных модулях на изолированном основании (В1-В2 и С1-С2). Электрические характеристики кристаллов 1800 В, используемых в производстве данных press-pack, оптимизированы для работы на частотах до 20 кГц. В результате прямое падение напряжения «коллектор — эмиттер» несколько больше или сравнимо со значениями для модулей на изолированном основании, но это компенсируется сокращением потерь переключения на высоких частотах. Типовая характеристика переключения одного устройства на 1400 А в 75-милиметровом корпусе показана рис. 12. В данном случае показан режим жестких переключений без снабберных цепей turn-on и turn-off. Для увеличения рабочей частоты устройство должно быть оптимизировано для резонансных схем, таких, как, например, индукционный нагрев.

Рис. 12. Типовая характеристика переключения для 14О0А, 1800 В press-расk IGBT
Рис. 12. Типовая характеристика переключения для 14О0А, 1800 В силовых модулей press-pack IGBT

На основании результатов испытания 47- и 75-миллиметровых устройств можно построить модель для корпуса 100 мм. Смоделированные характеристики для корпуса 100 мм совместно с 75 мм представлены на рис. 13 — здесь отображен режим жестких (непрерывная линия) и мягких (пунктирная линия) переключений от сетевого напряжения 900 В. Рабочая частота, полученная на данном графике, есть предполагаемое значение, которое зависит от многих факторов, таких, как особенности корпуса и т. п. Более высокая частота переключения (на 30–40%), например, может быть получена при снижении напряжения коммутации до 600 В. При этом параметры драйвера управления и снабберных цепей могут существенно повлиять на общие характеристики.

Рис. 13. Рабочая частота при мягком и жестком режимах переключения
Рис. 13. Рабочая частота при мягком и жестком режимах переключения

Пример, рассмотренный на рис. 13, подразумевает использование встроенного антипараллельного диода на полный диапазон тока. В случаях, когда используется внешний диод или приложение не требует наличия встроенного диода, весь корпус может быть заполнен кристаллами IGBT, увеличивающими суммарный ток устройства.

Для корпуса 100 мм частота может быть увеличена, как это показано на рис. 14, в режиме мягких переключений.

Рис. 14. Рабочая частота при мягком режиме переключения для 100-миллиметрового устройства без антипараллельного диода
Рис. 14. Рабочая частота при мягком режиме переключения для 100-миллиметрового устройства без антипараллельного диода

Примеры использования

Силовые модули Press-pack IGBT ориентированы на применение в изделиях повышенной надежности или в приложениях с жесткими температурными условиями. Это говорит не об их уникальности, а скорее о тех новых возможностях, которые вы можете получить, применяя силовые модули press-pack IGBT в обозначенных областях техники.

Используя press-pack IGBT, можно создать компактные модули с жидкостным охлаждением. Возьмем для примера H-bridge инвертор (рис. 15), который состоит из двух фаз с последовательно соединенными IGBT; возможно построение очень компактного модуля (рис. 16).

Рис. 15. Оема Н—bridge инвертора
Рис. 15. Оема Н—bridge инвертора
Рис. 16. Инвертор Н—bridge
Рис. 16. Инвертор Н—bridge

Этот силовой модуль имеет удобное расположение цепи постоянного напряжения (DC line), которая может быть подключена непосредственно к конденсатору фильтра простыми параллельными шинами. Данный пример не подразумевает изоляции от системы охлаждения, которая может быть легко получена с применением изолирующих дисков, что, конечно, скажется на стоимости и максимальной мощности изделия.

Такая же компактная конструкция может быть получена для модуля H-bridge с последовательными диодами (current-fed) (рис. 17).

Рис. 17. Базовая схема H-bridge инвертора с последовательными диодами
Рис. 17. Базовая схема H-bridge инвертора с последовательными диодами

Последовательные силовые диоды находятся в той же конструкции, что и IGBT, являясь частью общего компактного модуля (рис. 18).

Рис. 18. Инвертор H-bridge со схемами управления
Рис. 18. Инвертор H-bridge со схемами управления

В обоих примерах драйверы управления смонтированы на боковых плоскостях конструкции, что минимизирует длину соединений. Оба модуля показывают пример конструкции, которая может быть востребована в индукционном нагреве, сварочной технике или любых других приложениях, где предполагаются жесткие температурные условия эксплуатации элементов. Компактный дизайн и удобное соединение с линией AC или DC открывают дорогу для работы на частотах вплоть до 20 кГц: индуктивность внешних элементов управления может быть выше, чем в модулях на изолированном основании, но это компенсируется очень малой внутренней индуктивностью press-pack IGBT.

Одна особенность Press-pack устройств определяет область их применения — это пробой или выход изделия из строя [6]. Благодаря своей механической конструкции press-pack IGBT всегда выходят из строя путем замыкания накоротко, продолжая проводить ток в неисправном состоянии. Таким образом, может быть использована та же схема резервирования, что и при использовании стандартных тиристоров (N+1), путем последовательного соединения нескольких устройств. При выходе из строя одного из элементов система сохранит свою работоспособность.

При использовании силовых модулей press-pack IGBT получается более простая конструкция жидкостной или воздушной системы охлаждения (рис. 19) по сравнению с модулями на изолированном основании.

Рис.19. Сборка с принудительным воздушным охлаждением на основе press-pack IGBT
Рис.19. Сборка с принудительным воздушным охлаждением на основе силовых модулей press-pack IGBT

Как правило, габаритные размеры преобразователя на основе силовых модулей press-pack IGBT оказываются меньше, нежели с использованием модулей. Последовательное соединение press-pack IGBT является более естественным решением, нежели параллельное соединение модулей. Для обеспечения нужного уровня мощности проще соединить последовательно два сильноточных низковольтных press-pack IGBT, чтобы обеспечить нужный уровень напряжения коммутации, чем соединить параллельно два высоковольтных модуля на изолированном основании. Разработчики преобразователей часто сдержанны в применении последовательного соединения устройств, опасаясь усложнения системы и необходимости выравнивания характеристик переключения элементов. Для силовых модулей Press-pack IGBT изоляция схемы управления затворами при последовательном соединении более не является особой сложностью, как в случае с тиристорами, поскольку не требует такой же энергии переключения. Выравнивание характеристики переключения может быть сравнительно легко получено путем контроля управляющих сигналов.

Заключение

Конструкция внутренних элементов новых сильноточных press-pack IGBT в стандартных промышленных корпусах обеспечивает высокий уровень надежности при эксплуатации в жестких температурных условиях. Электрические характеристики в разнообразных приложениях обеспечивают рабочую частоту до 20 кГц. Для некоторых типовых приложений, таких, как H-bridge или последовательное соединение элементов, может быть получена очень компактная конструкция.        

Литература

  1. Wakeman F., Billett K., Irons R., Evans M. Electromechanical characteristics of a bondless pressure contact IGBT. APEC'99. Dallas, USA. 1999.
  2. Wakeman F., Lockwood G., Davies M. New high reliability bondless pressure contact IGBT's. PCIM'-Europe. Nuremberg, Germany. 1999.
  3. Evans M. , Wakeman F., Irons R., Lockwood G., Billett K. Design concepts of a bondless pressure contact IGBT. EPE'99. Lausanne, Switzerland. 1999.
  4. Westcode rating report 98TR01AD, 1999.
  5. Westcode rating report 98TR04AD, 1999.
  6. Wakeman F., Hemmings D., Findlay W., Lockwood G.. Pressure contact IGBT, testing for reliability. PCIM'-Europe. Nuremberg, Germany. 2000.
  7. Wakeman F., Lockwood G., Davies M., Billett K. Pressure contact IGBT, the ideal switch for high power applications. IEEEIAS. Phoenix, USA. 1999.
  8. Westcode — Patent applied for.
  9. Westcode short form data. IGBT H Bridge Inverter. 2000.

Скачать статью в формате PDF

Скачать статью в формате PDF 2005_01_18.pdf  

 
ПОДПИСКА НА НОВОСТИ

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