Силовая электроника №2'2008

Силовые IGBT модули Infineon Technologies

Анатолий Бербенец

IGBT-модули — традиционные компоненты силовой электроники, которые широко используются во всех отраслях промышленности и бытовой техники. Основные мировые производители этих полупроводниковых компонентов — это ABB, Mitsubishi, Semikron, Infineon Technologies [1]. При этом ABB, Mitsubishi и Infineon производят также и полупроводниковые IGBT и диодные кристаллы для изготовления модулей. В середине 2006 года Infineon присоединила свою дочернюю фирму Eupec и стала одним из мировых лидеров по производству IGBT-модулей, а разработанное фирмой в последние годы новое поколение кристаллов IGBT Trench серии IGBT4 (Trench FS4) и выпуск силовых модулей на их основе закрепили ее лидирующие позиции в этой области.

Технологии IGBT-кристаллов Infineon

Прежде чем обратиться к обзору силовых модулей, выпускаемых Infineon, рассмотрим кратко основные виды IGBT-кристаллов, которые использует фирма в своей продукции.

Дело в том, что собственно кристалл IGBT-транзистора, а также согласованный с ним кристалл антипараллельного диода своими характеристиками определяют ключевые параметры IGBT-модуля: рабочие токи и напряжения, падение напряжения во включенном состоянии, потери переключения, предельную температуру и надежность. Немаловажным также является то, что более половины цены модуля формируется ценой полупроводниковых кристаллов. Поэтому производители постоянно совершенствуют технологии изготовления чипов с целью оптимизации всей совокупности их характеристик. Причем, как справедливо отмечено в статье [2], совершенствование технологий изготовления IGBT-кристаллов происходит по спирали — от «стандартных» PT (Punch Through) и NPT (Non Punch Through) к современным Trench FS3 и Trench FS4 IGBT-кристаллам Infineon, получившим название IGBT3 и IGBT4. В таблице 1 на примере модулей малой мощности серии Econo от Infineon приведены отличительные характеристики различных поколений технологии изготовления IGBT-кристаллов.

Таблица 1. Технологии изготовления IGBT-кристаллов Infineon на примере модулей малой мощности серии Econo 1200 В
Технологии изготовления IGBT-кристаллов Infineon на примере модулей малой мощности серии Econo 1200 В

Из таблицы 2 видно, что современная технология Infineon Trench FS4 (IGBT4) вполне может быть отнесена к универсальной с точки зрения быстродействия статических и динамических потерь.

Таблица 2. IGBT-модули серии Easy
IGBT-модули серии Easy

В чем основные достоинства кристаллов IGBT4? Совершенствование технологии IGBT3 и создание IGBT4 привело к снижению потерь переключения в широком диапазоне частот, причем удалось добиться более плавного переключения. Более того, кристаллы IGBT4 оказались меньшей площади, что дает повышение выхода годных при производстве и снижение себестоимости модулей. Одним из главных достижений в характеристиках кристаллов IGBT4 является увеличение допустимой температуры кристалла с 150 до 175 °С. Благодаря этому увеличился запас по перегрузке IGBT-модулей и повысилась их надежность. С появлением кристаллов IGBT4 термин Trench перестал ассоциироваться с низкочастотной технологией. Силовые модули на основе IGBT4 могут быть использованы практически во всем диапазоне частот управления приводами.

Основной объем модулей Infineon изготавливается на основе кристаллов 2 и 3 поколения, называемых IGBT2 (технологии NPT) и IGBT3 (технологии Trench FS3).

Однако c появлением «универсальных» кристаллов IGBT4 все большую долю в производственной программе начинают занимать модули на их основе. Это относится не только к модулям, производимым Infineon, но и, например, к новой серии модулей фирмы SEMIKRON SEMITRANS T4, выпускаемых на основе IGBT4-кристаллов Infineon Technologies [2]. Модули на базе IGBT четвертого поколения появились во всех сериях модулей, производимых Infineon.

Обзор силовых IGBT-модулей Infineon

Спектр силовых IGBT-модулей, выпускаемых Infineon (ранее модули Eupec), представлен в виде графика на рис. 1. Infineon производит более 400 типов различных IGBT-модулей.

IGBT-модули Infineon Technologies

Модули условно могут быть разделены на 3 группы в зависимости от номинальной мощности (тока, напряжения и конструктива):

  • модули малой мощности <50 А, <10 кВт;
  • модули средней мощности <500 А, <100 кВт;
  • модули большой мощности ~3600 А, ~2 МВт.

К первой группе модулей относятся серии Easy и Econo. Названия Easy и Econo отражают конструктивное исполнение модулей и рабочие мощности. К первой серии маломощных модулей относятся EasyPIM, EasyPACK, EasyDUAL. Вторая серия состоит из модулей EconoPIM, EconoPACK, EconoDUAL.

IGBT-модули малой мощности. Серия Easy

Серия Easy модулей — это IGBT-модули малой мощности в экономичном конструктиве. Все новые корпуса серии Easy оснащены встроенными клеммами для крепления модуля к радиатору и штыревыми выводами под пайку печатной платы драйвера. Выпускаются 5 видов корпусов Easy: Easy 750, Easy 1, Easy 2, Easy 1B, Easy 2B.

В зависимости от функциональной схемы (топологии), различаются модули Easy PIM и Easy PACK. В свою очередь, Easy PACK делится на Easy DUAL, Easy FourPACK, Easy SixPACK. Модули Easy выпускаются на рабочие напряжения 600 и 1200 В на базе кристаллов IGBT3 и IGBT4. Диапазон рабочих токов и топологии, встроенные в модуль серии Easy, приведены в таблице 2.

IGBT-модули малой мощности. Серия Econo

Серия IGBT-модулей Econo отличается от серии Easy более крупным и прочным корпусом и, как следствие, большими рабочими токами. Так же как и в серии Easy, в этой серии различают модули PIM и PACK. Топология PIM более насыщенна и включает в себя диодный выпрямительный мост, чоппер, NTC-резистор и 3 IGBT-полумоста. В основе модулей Econo используются кристаллы IGBT3 и новейшие IGBT4. Конструкция корпусов Econo имеет два варианта исполнения: стандартный вариант для монтажа на печатную плату с помощью пайки штыревых выводов и вариант соединения с печатной платой без использования пайки — методом механического контактирования выводов специальной формы, вставляемых в металлизированные отверстия печатной платы. Этот новый конструктив и метод соединения модулей с печатной платой получил название Press FIT (индекс В11 в обозначении модуля). Метод позволяет быстро соединить модуль с печатной платой, например платой драйвера, без использования пайки и сопутствующего этому риска перегрева платы. Это повышает удобство эксплуатации, особенно в случаях замены модуля при ремонте. Кроме того, этот метод позволяет устанавливать модуль на плату с двусторонним монтажом элементов. Варианты выпускаемых модулей Econo приведены в таблице 3.

Таблица 3. IGBT-модули серии Econo
IGBT-модули серии Econo

IGBT-модули средней мощности

Группа модулей средней мощности состоит из 3-х серий:

  • модули в корпусах промышленного стандарта шириной 34 и 62 мм — «модуль 34 мм», «модуль 62 мм»;
  • модули серии Econo PACK+;
  • модули серии Econo DUAL2, Econo DUAL3.

Диапазон рабочих напряжений, токов и основные топологии модулей данной группы приведены в таблице 4.

Таблица 4. IGBT-модули средней мощности
IGBT-модули средней мощности

Серия модулей в стандартном корпусе 62 мм — наиболее многочисленная в группе модулей средней мощности. В ней используются IGBT-кристаллы поколений IGBT2, IGBT3, IGBT4, в том числе быстродействующие IGBT2 FAST. В составе модулей на 1200 В есть одиночные ключи до 800 А, чопперы на 100–400 А, диоды на 300–800 А, полумосты на 100–450 А. В модулях на рабочее напряжение 1700 В — одиночные ключи, полумосты и диодные модули. С использованием новых кристаллов IGBT4 уже изготавливаются модули на 1200 В с током 300 А в конфигурации полумост и чоппер.

Модули Econo PACK+ имеют корпус размером 150×162 мм, который представляет собой единую конструкцию из трех корпусов типа Econo. В модуле размещаются три IGBT-полумоcта с NTC-резистором. Модули выпускаются на рабочие напряжения 1200 и 1700 В. С 2008 года в серии появились модули на базе кристаллов IGBT4 на оба рабочих напряжения. Эти модули имеют в конце обозначения типа модуля знак «E4».

Модули серии Econo DUAL2 выпускаются в конфигурации полумост и полный мост на базе кристаллов серии IGBT2 FAST, IGBT3 и IGBT4. В 2008 году в серии Econo DUAL3 планируется выпуск модулей на рабочее напряжение 600 В на базе кристаллов IGBT3 (улучшенной технологии IGBT3 с максимальной рабочей температурой кристалла 150 °С). Модули будут иметь рабочие токи до 600 А и топологию полумост/чоппер.

Основные области применения IGBT-модулей средней мощности:

  • Промышленные приводы.
  • Источники питания.
  • Источники возобновляемой энергии (ветрогенераторы и пр.).
  • Сварка и индукционный нагрев.
  • Электроприводы эскалаторов и другой подъемной техники.

IGBT-модули большой мощности

IGBT-модули большой мощности можно разделить на 3 группы:

  • IHM — модули большой мощности с большими рабочими токами.
  • PrimePACK — новая серия модулей с большими токами на базе кристаллов IGBT4.
  • IHV — высоковольтные модули большой мощности.

Модули выпускаются в корпусах черного цвета. Размеры корпусов IHW/IHV: 73×140 мм, 130×140 мм, 190×140 мм. Корпуса PrimePACK имеют два размера: 172×89 мм и 250×89 мм. Диапазон рабочих токов и напряжений IGBT-модулей большой мощности приведен в таблице 5.

Таблица 5. IGBT-модули большой мощности
IGBT-модули большой мощности

PrimePACK — это новая концепция IGBT-модулей большой мощности на базе нового поколения кристаллов IGBT4.

Усовершенствованный конструктив, в котором IGBT-кристаллы размещаются ближе к точкам крепления подложки винтами к теплостоку, дает снижение теплового сопротивления между подложкой и теплостоком и дополнительно снижает на 60% (Lпараз = 10 нГ для PrimePACK3) внутреннюю паразитную индуктивность по сравнению со стандартными модулями. Уменьшение паразитной индуктивности важно для повышения устойчивости к импульсам перенапряжения. Специальная топология разводки улучшает распределение тепла, что дает в результате низкое тепловое сопротивление модуля в целом. В результате предельная рабочая температура модуля составляет +150 °C, что существенно превосходит +125 °C модулей предшественников. Это также позволило компании Infineon установить нижнюю границу температуры хранения модулей в –50 °C вместо –40 °C. Использование новых IGBT-модулей в мощных преобразователях позволит увеличить номинальные токи примерно на 20% при том же обратном напряжении или таких же размерах модуля, либо рассеять такую же мощность в модулях сравнительно меньшего размера. Выпускается два типа корпусов PrimePACK, отличающихся размерами: PrimePACK2 и PrimePACK3. Модули PrimePACK оптимизированы для применения в составе конструкций, где IGBT-модули для увеличения рабочих токов соединяются параллельно. В этом случае для соединения одноименных по выводам модулей достаточно прямых непересекающихся шин.

Заключение

Производственная программа IGBT-модулей Infineon Technologies в настоящее время насчитывает более 400 наименований модулей. Выпускаются модули с рабочими токами от десятков ампер до 3600 А и рабочими напряжениями от 600 до 6500 В. Для увеличения необходимой мощности IGBT-модули допускают параллельное соединение.

Разработка и серийное освоение IGBT-кристаллов на базе универсальной технологии Infineon Trench FS4 (IGBT4) позволили повысить рабочую температуру кристалла до 150 °С, повысить частоты переключения, уменьшить размеры модулей, повысить их надежность.

Серийно производится новая серия IGBT-модулей большой мощности на базе кристаллов IGBT4 под названием PrimePACK c рабочим напряжениями 1200 и 1700 В на токи до 1400 А с топологией полумост.

Новая технология изготовления кристаллов IGBT4 все шире используется в производстве IGBT-модулей Infineon всех серий.

Infineon производит также сборки IGBT-транзисторов под названием PrimeSTACK. Они представляют собой законченную конструкцию, состоящую из одного или нескольких IGBT-модулей, платы драйвера, радиатора с воздушным или водяным охлаждением. Сборки PrimeSTACK выпускаются на рабочие напряжения 1200 и 1700 В и токи до 1600 А.

Литература

  1. www.infineon.com
  2. Колпаков А. Trench 4 — первая универсальная технология IGBT // Силовая Электроника. 2007. № 3.
*  *  *

Другие статьи по этой теме


Скачать статью в формате PDF

Скачать статью в формате PDF 2008_2_38.pdf  

 
ПОДПИСКА НА НОВОСТИ

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