Силовая электроника №4'2009

Силовые модули SKiiP 4 — новая серия IPM для применений высокой мощности

Ральф Херманн

Андрей Колпаков

В последние годы на рынке промышленной силовой электроники все более востребованными становятся надежные и компактные компоненты, имеющие высокую плотность мощности и конкурентоспособную цену. В состав силовых модулей SKiiP (SEMIKRON Integrated Intellectual Power), разработанных в начале 1990-х годов, входит силовой каскад, плата управления, схема мониторинга и защиты, теплоотвод. На ежегодной выставке PCIM, прошедшей в Нюрнберге в мае 2009 года, компания SEMIKRON представила 4-е поколение силовых модулей SKiiP. Впервые в мире в интеллектуальных силовых модулях (IPM) IGBT использована технология низкотемпературного спекания чипов и реализован принцип цифровой передачи данных.

SKiiP 4 — основные особенности

При этом чрезвычайно важным становится вопрос обеспечения стойкости к термоциклированию, особенно если говорить о таком циклонагруженном применении, как транспортный привод. В гибридных автомобилях новейших поколений используется одноконтурная система охлаждения, температура тосола в которой поддерживается на уровне 105 °С в номинальном режиме и достигает 120 °С при кратковременных перегрузках. Окружающий воздух в подкапотном пространстве нагревается до 125 °С, а температура чипов Tj силового модуля способна превысить значение 150 °С. В то же время во время зимней стоянки привод может остывать до температур, близких к точке замерзания охлаждающей жидкости. В таблице 1 приведены технические требования для электронной аппаратуры, размещаемой в подкапотном пространстве автомобиля с жидкостным охлаждением.

Таблица 1. Основные требования, предъявляемые к силовым модулям электропривода

Условия эксплуатации

Температура окружающей среды Ta, °C

-40...+135

Температура охлаждающей жидкости, °C

-40...+105

Температура кристаллов Тj, °C

-40...+175

Вибрация, м/с2

10×9,81

Удары, м/с2

50×9,81

Надежность

Срок службы

15 лет

Стойкость к термоциклированию (импульсы мощности)

30 000 циклов при ΔT = 100 K

Стойкость к термоциклированию (изменение окружающей температуры)

1000 циклов при ΔT = 165 K

Работа стандартных модулей в подобных условиях неизбежно ведет к сокращению их ресурса. Только специализированные силовые ключи, конструкция которых адаптирована для применения в составе транспортного привода, могут обеспечить требуемые показатели надежности.

Высокая стойкость к термоциклированию компонентов семейства SKiiP получена благодаря отсутствию базовой платы и, соответственно, ее паяного соединения с DBC-подложкой [4]. Дальнейшее улучшение показателей у модулей 4-го поколения достигнуто за счет внедрения технологии спекания для установки кристаллов. Новейшие методы сборки и использование чипов с расширенным температурным диапазоном IGBT Е4 и диодов CAL 4 делают интеллектуальные силовые ключи SKiiP 4 самыми мощными и компактными IPM на рынке силовой электроники. В таблице 2 показаны схемы силового каскада и приведены предельные характеристики трех типоразмеров модулей SKiiP 4.

Силовой каскад SKiiP 4

В основе концепции SKiiP лежит принцип прижимного соединения изолирующей DBC-подложки, на которой установлены силовые чипы, с теплостоком. При этом из состава модуля исключается медная базовая плата и, соответственно, паяный слой большой площади. Именно термомеханические напряжения, возникающие в этом слое при воздействии перепадов температуры, чаще всего приводят к отказам стандартных силовых ключей. Использование «безбазовой» прижимной технологии сборки SKiiP позволяет более чем в 5 раз повысить стойкость к термоциклиро-ванию и существенно улучшить тепловые характеристики. В результате этого исключается возможность возникновения термомехани ческих стрессов при изменениях температуры и предотвращается развитие усталостных процессов в припое [6].

Конструкция копланарной шины с многоточечным доступом к кристаллам была разработана и внедрена в модулях новой серии SKiM 63/93 [5], ее внешний вид и топология DBC-подложки показаны на рис. 2. Каждый из чипов IGBT и диодов подключается к DC-терминалам с помощью индивидуальных контактов, что позволяет обеспечить максимально равномерное распределение токов.

Силовая шина SKiiP 4 одновременно выполняет несколько важных функций, первой из которых является прижим керамической DBC-платы к теплоотводу. Благодаря наличию большого количества контактов — точек давления, расположенных в зонах локального тепловыделения кристаллов, обеспечивается гомогенная передача тепла на радиатор. Кроме того, многоточечная контактная система позволяет производить токовый обмен между терминалами и чипами по кратчайшему пути. Копланарная конструкция шины гарантирует предельно низкое значение распределенного сопротивления и индуктивности, благодаря чему удается снизить уровень потерь внутри модуля и дисбаланс токов в параллельных цепях.

Высокая плоскостность керамики и отсутствие «биметаллического» эффекта дает возможность использовать более тонкий слой теплопроводящей пасты (около 20 мкм). Напомним, что для компенсации указанного эффекта у стандартных модулей с медной базой толщина слоя пасты должна быть в пределах 50-100 мкм.

Второй по интенсивности отказов проблемой является паяное соединение чипов и керамики, альтернативы которому до настоящего времени не было. Наиболее сильно эта связь подвержена воздействию «коротких» термоциклов длительностью несколько секунд. Кроме того, температура плавления большинства используемых в силовой электронике припоев составляет 220 °С, что естественным образом ограничивает и температурный диапазон работы модулей. По этой причине перегрев чипов неизбежно ведет к сокращению срока службы.

  

Для установки кристаллов IGBT и диодов на DBC-плату SKiiP 4 применяется технология низкотемпературного спекания [7], впервые в мире использованная SEMIKRON при производстве модулей SKiM 63/93. Первым этапом является позиционирование кристаллов на слое серебряной нанопасты, напыляемой на керамическую подложку. Далее паста спекается при воздействии высокой температуры и давления, образуя сверхпрочное и эластичное серебряное соединение. Тонкий слой серебра имеет более низкое тепловое сопротивление, чем припой, а температура его плавления (960 °С) во много раз превышает рабочую температуру чипов (табл. 3). Таким образом удается многократно повысить надежность соединения и его стойкость к термоциклированию, а также полностью исключить вероятность развития усталостных процессов (рис. 5).

Таблица 3. Сравнительные характеристики паяных и спеченных соединений

Параметр

Спекание (технология SKiNTER)

Пайка

Температура образования соединения, °C

<250

200-380

Толщина слоя, мкм

15-20

70-150

Образование лакун

Нет

Возможно

Структура слоя

Однородная

Неоднородная

Температура плавления, °C

960

<380

Теплопроводность, Вт/(м•К)

240

70

Электропроводность, м/(Ω•мм2)

41

8

Коэффициент теплового расширения (КТР), м/К

19×10-6

28×10-6

Предел прочности на растяжение, МПа

55

30

Токовые характеристики SKiiP 4 улучшены также за счет применения четвертого поколения чипов IGBT (Trench 4) и диодов (CAL 4), предельная рабочая температура которых увеличена до 175 °C. Благодаря использованию технологии спекания и модернизированного процесса ультразвуковой сварки выводов, повышение рабочей температуры произошло без снижения показателей надежности, что подтверждено в ходе ускоренных испытаний.

Цифровой драйвер SKiiP 4

В то время как цифровые технологии все активнее внедряются во все отрасли промышленности, силовая электроника остается отраслью, где в основном доминируют и изучаются аналоговые процессы, несмотря на импульсный способ модуляции сигнала. Драйвер затворов, осуществляющий связь контроллера с входами управления IGBT, может рассматриваться как цифро-аналоговое устройство. Аналоговыми в первую очередь являются каскады, отвечающие за трансляцию сигналов управления через изолирующий барьер. Классическим способом является передача фронтов импульсов, формируемых посредством последовательных резонансных цепей, затем происходит восстановление нормальной длительности с помощью триггера.

В драйвере SKiiP 4 реализован цифровой способ трансляции данных, при котором через изолирующий трансформатор передается непрерывный поток нулей и единиц. Использование дифференциального канала приема-передачи позволяет многократно повысить помехозащищенность. Параметры цифровой схемы не подвержены старению и не зависят от разброса, температурного и временного дрейфа номиналов элементов схемы. Благодаря этому удается повысить качество преобразования и медленно меняющихся аналоговых напряжений (например, сигнала датчика температуры).

Задающий генератор, построенный на программируемой логической матрице (FPGA), формирует импульсы заданной длительности и формы, которые поступают на дифференциальный передатчик с выходным мостовым MOSFET-усилителем (рис. 6а). Данные передаются на выходные каскады драйвера через импульсный трансформатор, осуществляющий гальваническую развязку. Последовательность импульсов принимается дифференциальным приемником-компаратором и далее подается на формирователь сигналов управления затворами (рис. 7), также реализованный на FPGA.

 

Основная задача, которую решает драйвер, — это коммутация токов перезаряда изолированного затвора при нормальной работе и безопасное отключение IGBT в режиме перегрузки и короткого замыкания. Корректно разработанная схема должна обеспечивать низкое значение потерь включения/выключения и минимальный уровень коммутационных выбросов. В SKiiP 4 впервые реализован так называемый двухступенчатый алгоритм управления IGBT. Программируемое изменение номиналов резисторов затвора RGon/RGoff, осуществляемое с помощью электронных ключей Sw1-Sw5 (рис. 6б), позволяет не только минимизировать величину динамических потерь, но и обеспечить безопасный уровень перенапряжения при отключении тока КЗ. Новый цифровой драйвер предназначен для управления IGBT с рабочим напряжением 1200 и 1700 В. Его мощность составляет 5 Вт на канал при пиковом выходном токе 50 А.

Интеллектуальные силовые модули SKiiP 4 имеют два раздельных блока управления, каждый из которых состоит из ядра драйвера и переходной платы. Конструктивно использование двух каналов (рис. 8) позволяет улучшить отвод тепла, что очень важно для подобной мощной схемы. Плата управления выполняет базовые функции защиты и мониторинга. Это:

  • UVLO (Under Voltage LockOut) — защита от падения напряжения питания во входных и выходных каскадах;
  • фильтрация коротких (шумовьгх) импульсов;
  • защита от перегрузки по току и КЗ;
  • измерение аналоговых сигналов датчиков фазного тока, температуры, напряжения DC-шины.
  • Новым видом защиты для IPM является реализованный в SKiiP 4 мониторинг критической частоты коммутаций и запрет ее превышения. В модулях 4-го поколения сигнальный разъем IDC заменен на более надежный 24-выводной коннектор D-Sub в металлическом корпусе.

    Номенклатура

    В таблице 4 представлены основные технические характеристики модулей SKiiP 4. Эффективные значения токов IRMS1 и IRMS2 рассчитаны для схемы 3-фазного ШИМ-инвертора при стандартизованного условиях эксплуатации (примечания). Основным ограничивающим фактором для конструктива является максимальный длительный эффективный ток АС-терминала, который не должен превышать 500 A.

    Таблица 4. Основные характеристики SKiiP 4

    Тип модуля SKiiP

    Схема

    Охлаждение

    Vce, В

    ICnom, A

    IRMS1, A

    IRMS2, A

    SKiiP1814GB12E4-3DW

    3GB

    Жидкость

    1200

    1800

    1270

    800

    SKiiP1814GB12E4-3DL

    3GB

    Воздух

    1200

    1800

    900 (620)

    575 (435)

    SKiiP2414GB12E4-4DW

    4GB

    Жидкость

    1200

    2400A

    1640 1)

    1030 1)

    SKiiP2414GB12E4-4DL

    4GB

    Воздух

    1200

    2400

    1000 2)

    715

    SKiiP2414GB12E4-4DL

    4GB

    Воздух

    1200

    2400

    950 3) (730)

    715 (520)

    SKiiP3614GB12E4-6DW

    6GB

    Жидкость

    1200

    3600

    2260 1)

    1420 1)

    SKiiP3614GB12E4-6DL

    6GB

    Воздух

    1200

    3600

    1360 2)

    960

    SKiiP3614GB12E4-6DL

    6GB

    Воздух

    1200

    3600

    1240 3)

    SKiiP1814GB17E4-3DW

    3GB

    Жидкость

    1700

    1800

    1275 (1124)

    800 (660)

    SKiiP1814GB17E4-3DL

    3GB

    Воздух

    1700

    1800

    770 2)

    550

    SKiiP1814GB17E4-3DL

    3GB

    Воздух

    1700

    1800

    720 3)

    "

    SKiiP2414GB17E4-4DW

    4GB

    Жидкость

    1700

    2400

    16401) (1440)

    10301) (900)

    SKiiP2414GB17E4-4DL

    4GB

    Воздух

    1700

    2400

    930 2)

    675

    SKiiP2414GB17E4-4DL

    4GB

    Воздух

    1700

    2400

    860 3)

    "

    SKiiP3614GB17E4-6DW

    6GB

    Жидкость

    1700

    3600

    2260 1)

    1420 1)

    SKiiP3614GB17E4-6DL

    6GB

    Воздух

    1700

    3600

    1240 2)

    900 2)

    SKiiP3614GB17E4-6DL

    6GB

    Воздух

    1700

    3600

    1100 3)

    870 3)

    Примечания.1) С радиатором NWK 40. 2) При указанном токе коллектора Ic и температуре кристаллов Tj = 150 °C максимальная температура радиатора — 125 °C. 3) При температуре радиатора 115 °C (в отверстии под кристаллом по методу В) или ~105 °C между DBC-подложками (силовой каскад)

    Использованные в таблице 4 обозначения:

  • ICnom — номинальный ток (по новой системе обозначений параметр ICnom определяется производителем кристаллов).
  • IRMS1 — среднеквадратичный выходной фазный ток при выходном напряжении 400 В (VCE = 1200 В) или 690 В (VCE = 1700 В), частоте огибающей 50 Гц, cosφ = 0,85, температуре окружающей среды Ta = 40 °C, частоте ШИМ fsw = 5 кГц (VCE = 1200 В) или 2 кГц (VCE = 1700 В).
  • IRMS2 — среднеквадратичный выходной фазный ток при тех же условиях, но с учетом перегрузки 150% в течение 60 с и при изменении частоты огибающей в пределах 2-50 Гц.
  • В скобках даны значения тока SKiiP 3.
  • Для точного расчета тепловых режимов в конкретных условиях эксплуатации необходимо воспользоваться программой SEMISEL.
  • Механические характеристики

    Одной из главных проблем при проектировании силового преобразовательного устройства является подключение терминалов модулей с учетом допустимых статических и динамических нагрузок. Особенно серьезно эта задача стоит на транспорте, где высокие вибрационные воздействия способны деформировать выводы и даже привести к отказу силового ключа. Основной способ решения проблемы — механическая развязка: использование гибких шин, промежуточных элементов крепления и т. д.

    Компоненты новой генерации SKiiP полностью совместимы с модулями 3-го поколения по расположению выводов и подключению. При этом за счет введения дополнительных точек фиксации DC- и АС-терминалов допустимая нагрузка на них повышена в 2 раза, она теперь составляет 200 Н по всем осям: Fx, Fy, F±z (рис. 9a, б). Рекомендуемый вариант подключения АС-выводов и звена постоянного тока к модулю SKiiP 4GB в стационарном положении показан на рис. 9в.

    Надежность

    Пользователям стала доступна новая уникальная опция: кроме стандартной программы проверки электрических параметров, которой подвергаются 100% компонентов, надежность IPM SKiiP может быть дополнительно подтверждена в составе реальной инверторной схемы в условиях предельных нагрузок.

    В ходе двух циклов испытаний продолжительностью 60-90 мин проводится проверка силовых ключей в составе преобразователя ветроэнергетической установки (ВЭУ) при полной нагрузке, предельных значениях температуры и напряжения питания. Температура силовых кристаллов при этом достигает 140 °C, что обеспечивает максимальный термомеханический стресс для всей конструкции силового ключа. По желанию заказчика может быть выбрана 2- или 4-квадрантная схема, а также воздушный или жидкостный режим охлаждения. Основной целью теста является определение ключевых причин ранних отказов и их устранение. В 2008 году данному виду испытаний было подвергнуто 80% модулей SKiiP 3.

    Заключение

    С начала 1990-х годов, когда было начато производство интеллектуальных силовых модулей SKiiP, их востребованность в различных отраслях промышленности неуклонно росла благодаря широким функциональным возможностям и высокому уровню надежности. Одно из самых ярких подтверждений сказанному — ветроэнергетика, отрасль, в которой к силовым ключам предъявляются очень высокие требования как по электрическим характеристикам, так и по надежности. Конверторы на основе IPM SKiiP преобразуют 44 ГВт энергии при общей мощности всех введенных в действие ветроэнергетических установок, составляющей около 94 ГВт (источник: BTM Consult ApS. 2008. № 3).

    В конструкции SKiiP воплотился более чем 15-летний опыт SEMIKRON по разработке компонентов прижимного типа. Концепция технологии pressure-contact состоит в отказе от жестких паяных и сварных соединений и прямом прижиме изолирующей DBC-платы с силовыми чипами к теплоотводу. В результате этого обеспечивается равномерный тепловой и электрический контакт и более чем на 40% снижается тепловое сопротивление «кристалл - теплоотвод» Rth(j-s) по сравнению со стандартными модулями. Благодаря исключению базовой платы и соединительного паяного слоя большой площади существенно снижается уровень термомеханических напряжений, действующих на модуль при циклических изменениях тока нагрузки. При идентичных условиях работы это означает увеличение стойкости к термоциклированию более чем в 5 раз.

    Новое, 4-е поколение SKiiP по плотности мощности, уровню интеграции и функциональным возможностям отвечает самым жестким требованиям современного рынка силовой электроники. Впервые в мире в силовых ключах SKiiP 4 для установки чипов на керамическую подложку использована технология низкотемпературного спекания, а в драйвере управления затворами применен принцип цифровой передачи данных. Устройство управления силовым каскадом SKiiP 4 передает контрольные сигналы по дифференциальному каналу, что позволяет обеспечить подавление синфазных помех, высокую помехозащищенность и минимальный уровень перекрестных связей между каналами.

    Основные особенности IPM SKiiP 4:

    • Диапазон мощностей: 130 кВт - 1,8 МВт.
    • Полное исключение паяных соединений.
    • Повышенная стойкость к термоциклирова-нию благодаря отсутствию базовой платы и применению технологии спекания.
    • Предельная рабочая температура чипов Tjmax = 175 °C
    • Цифровая изолированная передача импульсов управления.
    • Цифровая диагностика.
    • Двухступенчатая схема управления IGBT.
    • Опциональный тест на надежность в условиях предельных нагрузок.

    Литература

    1. Application Manual Power Modules. SEMIKRON International.
    2. Demuth V., Ha upl K., Ko nig B., Nichtl-Pecher W. CAL4: The next generation 1200V Freewheeling Diode // PCIM 2007.
    3. Hermwille M. Driver Core goes Fully Digital // Bodo Power Systems. August 2008.
    4. Колпаков А. SKiiP против IPM, или Сколько интеллекта надо модулю // Электронные компоненты. 2004. № 9, 10.
    5. Колпаков А. Новые модули для транспорта SKiM 63/93 // Силовая электроника. 2007. № 4.
    6. Колпаков А. О термоциклах и термоцикли-ровании // Силовая электроника. 2006. № 2.
    7. Колпаков А. Низкотемпературная технология спекания // Компоненты и технологии. 2007. № 4.
    8. G o bl C., Beckedahl P., Braml H. Low temperature sinter technology Die attachment for automotive power electronic applications // Automotive Power Electronics. June 2006.
    9. http://semisel.semikron.com/
    *  *  *

    Другие статьи по этой теме


    Скачать статью в формате PDF

    Скачать статью в формате PDF 2009_4_14.pdf  

     
    ПОДПИСКА НА НОВОСТИ

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