Силовая электроника №3'2006

Силовые модули IGBT серии Mega Power Dual

Роман Фукалов


Постоянно растущий рынок силовой электроники требует от производителей силовые модули более высокой мощности и в более компактных корпусах. Корпорация Mitsubishi Electric всегда отвечала требованиям рынка, поставляя качественную и надежную продукцию. Новые модули Mega Power Dual (MPD), так же как и вся серия NF, созданы на базе пятого поколения кристаллов IGBT CSTBT с технологией LPT. CSTBT (траншейный биполярный транзистор с накоплением носителей заряда) — это второе поколение траншейных биполярных транзисторов, разработанное Mitsubishi Electric. На рис. 1 представлена структура данного кристалла. Благодаря использованию дополнительного n-барьерного слоя между p-базовым и n-слоем, удалось добиться равномерной плотности дырок между анодом и катодом, что улучшило условия рекомбинации и позволило уменьшить потери по сравнению с традиционными траншейными транзисторами. К другим несомненным достоинствам нового поколения кристаллов относятся положительный температурный коэффициент, низкие токи короткого замыкания и уменьшенная по сравнению с первым поколением траншейных биполярных транзисторов емкость затвора.

Рис. 1. Структура CSTBT
Рис. 1. Структура CSTBT (траншейный биполярный транзистор с накоплением носителей заряда)

В таблице представлена вся линейка модулей серии NF. Модули, рассчитанные на номинальный ток свыше 600 A, получили название Mega Power Dual (MPD). Модули MPD существуют в трех номиналах— 900 A/1200 В, 1400 A/1200 В и 1000 A/1700 В.

Таблица. Линейка модулей IGBT серии NF и MPD
Таблица. Линейка модулей IGBT серии NF и MPD

Основная ниша продукции, где использование модулей MPD дает большие преимущества, — это инверторы высокой мощности. Применение продукции серии MPD позволяет избежать запараллеливания нескольких модулей и воспользоваться только одним, что упрощает конструкцию инвертора и в итоге повышает его надежность и одновременно уменьшает стоимость сборки. Примером типичных систем, где использование модулей MPD имеет массу преимуществ, являются источники бесперебойного питания электропривода высокой мощности и инверторы для ветряных генераторов.

Конструктивные особенности MPD

При создании устройств разработчики Mitsubishi Electric руководствовались запросами рынка, что отразилось на конструкции модулей MPD. При конструировании инверторов, рассчитанных на большие токи, важное значение имеет конструкция шины постоянного тока. Использование низкоиндуктивной многослойной шины для разводки звена постоянного тока — оптимальное решение для создания надежных конструкций, так как это позволяет обеспечить работу устройства в границах SCSOA (область безотказной работы при коротком замыкании), благодаря снижению выбросов напряжения. На рис. 2 представлен внешний вид модуля MPD IGBT на номинальный ток 1400 A и напряжение1200 В.

Рис. 2. Внешний вид модуля MPD
Рис. 2. Внешний вид модуля MPD

Модуль MPD имеет значительные отличия по сравнению с обычными модулями IGBT. Выводы для подключения шины постоянного тока имеют различную высоту (рис. 3). Это делает возможным прямое подключение к ним многослойной ламинированной шины постоянного тока без использования дополнительных средств сопряжения. Кроме того, контакты шины постоянного тока и выход полумоста расположены на противоположных сторонах модуля, что упрощает конструкцию инвертора.

Рис. 3. Подключение шины постоянного тока
Рис. 3. Подключение шины постоянного тока

На рис. 4 показано типичное подключение многослойной шины к модулю MPD.

Рис. 4. Подключение шины постоянного тока к MPD
Рис. 4. Подключение шины постоянного тока к MPD

Паразитная индуктивность внутренней разводки — одна из серьезнейших проблем, с которой сталкиваются производители при создании силовых модулей, рассчитанных на большие токи. В модулях MPD разработчики Mitsubishi Electric применили уникальную низкоиндуктивную шину. Структура этой шины представлена на рис. 5.

Рис. 5. Многослойная низкоиндуктивная шина
Рис. 5. Многослойная низкоиндуктивная шина

Использование новой шины позволило уменьшить внутреннюю индуктивность силового модуля до 16 nH. На рис. 6 представлены осциллограммы обратного восстановления антипараллельного диода для случаев применения обычной шины и новой многослойной низкоиндуктивной шины. Благодаря переходу на низкоиндуктивную шину, удалось понизить выбросы напряжения при обратном восстановлении диода более чем на 400 В. Сокращение паразитной индуктивности позволяет уменьшить размер снабберных конденсаторов, что также положительно влияет на конечную стоимость системы.

Устойчивость к термоциклам — важнейшая характеристика, определяющая срок службы силовых модулей в составе инвертора. Различают два варианта термоциклирования, каждый из которых отличается своим типом деградации модуля. Это короткие циклы (Power Cycling) (характерное разрушение — отрыв внутренних проводников) и длинные циклы (Thermo Cycling) (характерное разрушение — деградация пайки «базовая пластина-подложка»).

При разработке серии MPD большое внимание было уделено вопросам устойчивости к термоциклам. На рис. 7 представлено сравнение устойчивости к термоциклированию (короткие циклы) между модулями серий H и F и модулями серии MPD. Как видно, устойчивость по термоциклирова-нию модулей MPD в 100 раз выше, чем у серии H. Добиться этих впечатляющих результатов позволила новая технология крепления внутренних проводников, разработанная Mitsubishi Electric.

Рис. 7. Характеристики устойчивости к термоциклированию для модулей MPD
Рис. 7. Характеристики устойчивости к термоциклированию для модулей MPD

На рис. 8 показана внутренняя структура модулей MPD. Благодаря проработке как расположения кристаллов, так и крепежных отверстий, силовые модули MPD хорошо подходят для использования водяного охлаждения. Крепежные отверстия не создают помех потоку охлаждающей жидкости, а расположение кристаллов позволяет использовать простую траекторию хладагента.

Рис. 8. Траектория хладагента при жидкостном охлаждении
Рис. 8. Траектория хладагента при жидкостном охлаждении

Для сигналов управления используются самозащелкивающиеся разъемы производства JST Mfg. Co., Ltd (www.jst-mfg.com) (рис.9), что делает эти соединения простыми и одновременно надежными, так как эти разъемы обладают повышенной стойкостью к вибрационной нагрузке.

Рис. 9. Cамозащелкивающиеся разъемы VHR*5N и VHR*2N от JST
Рис. 9. Cамозащелкивающиеся разъемы VHR*5N и VHR*2N от JST

Заключение

Силовые модули IGBT MPD (900 A/1200 В, 1400 A/ 1200 В и 1000 A/1700 В) подходят для конструирования инверторов высокой мощности и обладают уникальными техническими характеристиками. Применение в этих устройствах CSTBT биполярных транзисторов снижает потери и уменьшает тепловыделение. А использованные уникальные инженерные решения повышают надежность конструкций, в состав которых входят силовые модули серии MPD.

 

*  *  *

Другие статьи по этой теме


Скачать статью в формате PDF

Скачать статью в формате PDF 2006_03_32.pdf  

 
ПОДПИСКА НА НОВОСТИ

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