Современные интегральные силовые модули DIP-IPM фирм Mitsubishi и Powerex

Концерн (или группа) Mitsubishi — один из крупнейших производственных конгломератов Японии (keiretzu), оказавший огромное влияние на развитие экономики страны. История Mitsubishi началась с основания в 1873 году судоходной компании Mitsubishi Shokai, владельцем фирмы был предприниматель Ятаро Ивасаки (1834-1885 гг.).

Развиваясь, Mitsubishi превратилась в огромную фирму, принадлежавшую семье Ивасаки вплоть до окончания Второй мировой войны. В 1946 г. компания была реорганизована, вместо нее образовались 44 независимые фирмы, из них 20 носят имя Mitsubishi, в том числе и Mitsubishi Electric. В настоящее время число коммерческих организаций под торговой маркой Mitsubishi по всему миру составляет более 400 [1, 2].

Mitsubishi Electric Corporation (MELCO, «Мицубиси Дэнки Кабусики Кайся», корпорация «Мицубиси Электрик») основана 15 января 1921 г. Ее штаб-квартира находится в токийском деловом районе Маруноучи (Marunouchi). Консолидированный объем продаж корпорации — $37,4 млрд, численность персонала — 106 931 человек (по состоянию на 31 марта 2009 г.). Президент и главный исполнительный директор — Сэцухиро Симомура (Setsuhiro Shimomura) [3, 14].

Представительства MELCO базируются более чем в 40 странах мира, в сферу деятельности европейского подразделения Mitsubishi Electric Europe B.V. (Нидерланды) входит и Россия [4]. Продукция Mitsubishi Electric известна в СССР еще с 1970-х годов, когда в нашу страну осуществлялись поставки промышленного оборудования и производственных линий. В декабре 1997 года было открыто представительство ЗАО «Мицубиси Электрик Юроп Б. В.» в Москве, в 2004 году — в Екатеринбурге, в 2008-м — в Санкт-Петербурге: деятельность этого подразделения направлена на активизацию продвижения продукции компании в Северо-Западном регионе страны. Компания предлагает к поставке системы кондиционирования, промышленную автоматику, силовые полупроводники, мультимедийные проекторы, проекционные кубы, домашние кинотеатры, фотосистемы, системы безопасности и медицинское оборудование [5].

Mitsubishi Electric имеет долю в акционерном капитале фирмы Powerex Inc. (г. Юнгвуд, Пенсильвания, США). Powerex Inc. основана в 1986 г. в результате слияния отделений силовых полупроводниковых приборов фирм General Electric Company и Westinghouse Electric Corporation. В 1994 году Westinghouse продала свои акции General Electric и Mitsubishi Electric. Номенклатура силовых полупроводниковых приборов Powerex во многом совпадает с номенклатурой Mitsubishi Electric.

«Мицубиси Электрик» выпускает широкую номенклатуру силовых полупроводниковых приборов. В каталоге фирмы 2009 года элементы силовой электроники сгруппированы в категориях Power Modules — силовые модули, High Power Devices — мощные полупроводниковые приборы. Выпускаются силовые модули следующих классов: IGBT-модули (83 наименования); Intelligent Power Modules — интеллектуальные силовые модули (137 наименований); DIP-IPM — интеллектуальные силовые модули в интегральном исполнении (в DIP-корпусах, 52 наименования); Power MOSFET Modules — силовые модули на полевых транзисторах; Thyristor Modules — тиристорные модули; Diode Modules — диодные модули, общее число наименований модулей исчисляется несколькими сотнями [6].

Силовые модули MELCO предназначены для применения в источниках бесперебойного питания; CVCF/VVVF-инверторах; индукционных нагревателях (Induction Heater); импульсных источниках питания (SMPS); сварочных выпрямителях (Welder); оборудовании для резки (Cutter) и электроэрозионной обработки металлов (Electrical Discharge Machine); медицинской аппаратуре; блоках питания тяговых двигателей; электроприводе двигателей; кондиционерах и сплит-системах; подъемниках и лифтах. На рис. 2 приведены некоторые варианты схем применения силовых модулей: VVVF-инверторы с ШИМ, и АИМ, управлением для привода двигателей переменного тока; CVCF-инверторы для источников бесперебойного питания (ИБП); драйвер двигателей постоянного тока; тормозной чоппер для управления двигателями постоянного тока (DC Chopper).

Наиболее широкая номенклатура силовых полупроводниковых приборов фирмы сосредоточена в категориях IGBT-модулей, интеллектуальных силовых модулей (IPM), в том числе в интегральном исполнении DIP-IPM. IPM MELCO обеспечивают управление токами в диапазоне порядка 50-800 А при напряжении 600-1200 В, модули DIP-IPM версий 3; 3,5; 4 — в диапазоне 3-50 А при напряжении до 600 В, версии 1200V — до 1200 В. Интеллектуальные силовые модули (в том числе модули DIP-IPM) представляют собой полупроводниковые приборы, в состав которых входят силовые IGBT, схемы управления и различные устройства защиты [7, 8]. Модули DIP-IPM широко применяются в кондиционерах, сплит-системах, холодильниках, стиральных машинах различных производителей, их с успехом можно использовать и для различных промышленных приложений. В таблице 1 приведены классификационные параметры модулей DIP-IPM фирмы серий (версий) Ver. 3; Ver. 3,5; Ver. 4 (рис. 3) и Ver. 1200V из каталога фирмы по состоянию на лето 2009 г. (модули других серий в текущий каталог не включены и здесь не рассматриваются).

Основное назначение модулей DIP-IPM серии Ver. 3 — электропривод трехфазных двигателей переменного тока малой и средней мощности по алгоритму VVVF (Variable Voltage Variable Frequency): управление с изменяющимися напряжением и частотой. Модули серии могут управлять двигателями с номинальной мощностью 0,2 кВт (PS21562); 0,4 кВт (PS21563); 0,75 кВт (PS21564); 1,5 кВт (PS21865, в каталоге 2009 г. отсутствует); 2,2 кВт (PS21867, также отсутствует); 3,7 кВт (PS21869), эти двигатели рассчитаны на номинальное напряжение 100-200 В переменного тока. Модули PS21562/3/4 выпускаются в малогабаритных корпусах Mini DIP, PS21865/7/9 — в корпусах DIP-IPM (рис. 4) [9]. В каталоге Powerex 2009 г. имеются модули PS21869-P/AP (корпус DIP) [10]. Модули DIP-IPM серии Ver. 3.5 выпускаются в модифицированном DIP-корпусе (DIP-2 по классификации Powerex), по электрическим параметрам они относятся к модулям серии Ver. 3. Модули PS21265P (AP), PS21267-P (AP) выпускает и фирма Powerex.

Модули DIP-IPM серии Ver. 3 характеризуются следующими особенностями (Product Feature):

1. В модулях использованы интегральные IGBT-инверторы с 3-фазным выходом переменного тока. Модули с выходным током 3-30 А основаны на планарных IGBT 5-го поколения (The 5^th generation planar IGBT). В модулях с выходным током 50 А применены кристаллы со структурой CSTBT (Carrier Stored Trench-gate Bipolar Transistor), от «обычного» Trench IGBT этот транзистор отличается наличием в структуре кристалла дополнительного слоя под названием Carried stored layer — барьерный слой для накопления зарядов. В результате возникает так называемый эффект аккумуляции носителей, что способствует снижению прямого падения напряжения U_HaC Более подробно устройство CSTBT-приборов рассмотрено в [11]. CSTBT является зарегистрированной торговой маркой фирмы Mitsubishi Electric Corporation.
2. Топология модулей предусматривает использование одного источника для питания схем управления HVIC (bootstrap circuit scheme).
3. В состав модулей включены схемы управления и защиты:
   • в верхних плечах — схема защиты от пониженного напряжения UV (Under-Voltage) без вывода сигнала срабатывания защиты (fault signal);
   • в нижних плечах—схемы защиты от коротких замьгканий SC (Short-Circuit) и от пониженного напряжения UV с выводом сигнала срабатывания защиты.
4. Управление модулями может осуществляться непосредственно от микропроцессоров систем управления без использования оптических или трансформаторных развязок.
5. Уровни входных логических сигналов — 3 или 5 В, обеспечивается КМОП/ТТЛ-совместимость.
6. Структура модулей серии Ver. 3 в корпусе DIP приведена на рис. 5 (за исключением SP-исполнений).

В состав модулей входят схемы управления верхними ключами HVIC1-HVIC3, схема управления нижними ключами LVIC, ключевые IGBT1-IGBT6 и антипараллельные диоды D1-D6. Рассмотрим особенности модулей DIP-IPM Ver. 3 на примере самых мощных из них — PS21869-P/AP. Основные параметры приборов:

• V_cc (максимально допустимое напряжение питания) — 450 В (измеряется между выводами Р и N), рекомендуемое рабочее напряжение 300 В.
• V_iso (напряжение изоляции) — 2500 В (измеряется между выводами и пластиной те-плоотвода (Heat-sink plate).
• I_cp (пиковый ток коллекторов IGBT) — 100 А (t_UMn не более 1 мс).
• I_o (максимальное действующее значение выходного тока) — 3,5 А при V_cc = 300 B, V_d = V_db = 15 B, P.F = 0,8, f_Шим = 5 кГц, T = 125 °C (P.F — коэффициент использования мощности), при f_Шим = 15 кГц, I₀ = 13,8 A.
• Р_с (максимальная мощность рассеяния каждого IGBT) — 70,4 Вт.
• V_D, V_DB (максимально допустимое напряжение питания) — 20В (V_D измеряется между выводами V_p1-V_pc, V_N1-V_NC, V_DB — между выводами V_ufb-V_ufs, V_vfb-V_vfs, V_wfb-V_WFS), рекомендуемые напряжения — 15 В.
• V_ce (U_Hac, падение напряжения на открытых IGBT, типовое значение) — 1,5 В при 1_к = 50 А, Т_выв = 25 °С, максимальное значение 2,1 В при 1_к = 50 А, Т_выв = 125 °С.
• V_ec (падение напряжения на антипараллельных диодах, типовое значение) — 1,7 В (-I_к = 50 А, Т_выв = 25 °С).
• Временные параметры переключения (рис. 6): t_on = 1,3 мкс, t_rr = 0,3 мкс, t_c(on) = 0,4 мкс, tof = 2 мкс, t_c = 0,65 мкс (приведены типовые значения при V_cc = 300 В, V_D = V_DB = 15 B, I_k = 50 А, Т_ш = 125 °С).
• f_MaKC (максимальная частота следования входных ШИМ-импульсов) — 20 кГц, рекомендуемый диапазон частот ШИМ-импульсов — 5-15 кГц, минимальная длительность импульсов — 3 мкс. Соответствующие параметры других модулей приведены в таблице 2, ток I_o модулей PS22052/053/054/056 измерен на частоте входных ШИМ-сигналов 15 кГц, остальных — 5 кГц (параметры из листов данных Mitsubishi Electric 2005-2008 гг.).

Схема включения модулей в корпусах DIP без использования оптических развязок между схемой управления и модулем, рекомендуемая изготовителем, приведена на рис. 7.

В таком включении корпусная шина схемы не должна иметь соединения с общим корпусом агрегата, в который она устанавливается. При конструировании печатной платы блока управления следует иметь в виду следующее:

1. Во избежание самовозбуждения схемы длина печатных проводников, подключенных к входам модуля (выводы U_p, V_p, W_p, U_n, V_n, W_n), должна быть как можно короче.
2. Сигнал срабатывания защиты (fault signal) подается с каскада с открытым стоком, поэтому вывод F_o модуля необходимо соединить с цепью питания +5 В через резистор R2 (10 кОм). Длительность импульсов на выводе F_o определяется величиной емкости конденсатора С4, при емкости 0,022 мкФ длительность импульсов — ≈ 1,8 мс.
3. Для предотвращения сбоев в работе схем защиты длина цепей (печатных проводников) на участках А, В, С должна быть минимально возможной.
4. Постоянную времени R1C5 предпочтительно выбирать в пределах 1,5-2 мкс.
5. Конденсаторы С2, С3 схемы следует располагать вблизи соответствующих выводов модуля, это же относится и к демпферному конденсатору C6, его емкость выбирают в диапазоне 0,1-0,22 мкФ, емкости керамических конденсаторов С2, С3 выбираются в пределах 0,22-2,0 мкФ.
6. Для защиты от перенапряжений (surge destruction) в цепях питания желательно установить стабилитроны D1 на напряжение 24 В (1 Вт).
7. Индуктивность цепи между выводом N модуля и шунтирующим резистором (Shunt Resistor) не должна превышать 10 нГн, что эквивалентно индуктивности проводника из меди шириной 3 мм, толщиной 100 мкм и длиной 17 мм. Сопротивление шунтирующего резистора определяется величиной заданного тока короткого замыкания конкретных типов модулей, методика расчета приведена в [9].
8. Параметры «бутстрепных» элементов схем R_b, D_b, C1 рассчитываются для конкретных модулей и выбранных режимов работы по методике, приведенной в [9].

Модули DIP-IPM серии Ver. 4 (PS2196x-4/-T)выпускаются в малогабаритных корпусах Super Mini DIP, напряжение изоляции модулей — 1500 В [12]. Модули предназначены для управления двигателями переменного тока, рассчитанными на напряжение 100-200 В, со следующими номинальными мощностями (Motor Rating):

• 0,2 кВт — PS21961-4/-4A/-4C/-4S/-4W, PS21961-T/-AT/-CT/-TW/-ST;
• 0,4 кВт — PS21962-4/-4A/-4C/-4S/-4W, PS21962-T/-AT/-CT/-TW/-ST;
• 0,75 кВт — PS21963-4E/-4AE/-4CE/-4ES/-4EW, PS21963-4/-4A/-4C/-4S/-4W, PS21964-4/-4A/-4C/-4S/-4W, PS21963-T/-AT/-CT/-TW/-ST, PS21964-T/-AT/-CT/-TW/-ST;
• 1,5 кВт — PS21965-4/-4A/-4C/-4S/-4W, PS21965-T/-AT/-CT/-TW/-ST.

Суффиксы в наименованиях модулей означают: А — удлиненные выводы; С, W — зигзагообразные выводы; Т — наличие схемы температурной защиты; S — эмиттеры нижних IGBT выведены на отдельные выводы модулей. В сравнении с приборами серии Ver. 3 модули серии Ver. 4 имеют следующие особенности:

• Использована одна микросхема HVIC (вместо трех).
• С целью уменьшения теплового сопротивления применен новый изоляционный материал и более тонкие кристаллы IGBT.
• В модулях PS21965, PS21993, PS21994, PS21997 применены IGBT со структурой CSTBT, в остальных (кроме PS21961) — IGBT 5-го поколения.
• В модулях PS21961 использованы IGBT, обладающие обратной проводимостью, что достигнуто за счет встраивания в них антипараллельных диодов.

Такие структуры получили наименование RC-IGBT (Reverse Conducting IGBT) [8, 11]. Структура модулей приведена на рис. 8 (за исключением S-исполнений), внешний вид— на рис. 3, параметры — в таблицах 1, 2. Перечислим назначения основных выводов модулей:

• V_ufb, V_yfb, V_wfb — напряжения питания HVIC;
• U_p, V_p, W_p — входы управления HVIC;
• V_n1 — напряжение питания LVIC;
• U_n, V_n, W_n — входы управления LVIC;
• CIN — вход контроля выходного тока;
• N — силовой корпус;
• V_nc — корпус LVIC;
• W, V, U — силовые выходы;
• P — напряжение питания IGBT.

Все модули серии Ver. 4 оснащены встроенными схемами защиты от пониженного напряжения (UV) и от короткого замыкания (SC), а Т-исполнения (буква Т в суффиксах или окончаниях наименований модулей) — и от превышения предельно допустимой температуры (OT). Сигналы срабатывания схем защиты (fault signals) можно контролировать на соответствующих выводах модулей, особенности функционирования схем защиты приведены в [12].

Модули серии V1200 предназначены для электропривода 3-фазных двигателей переменного тока с номинальным напряжением 400 В и номинальной мощностью 0,4-5,5 кВт. Приведенные в таблице 1 модули этой серии разработаны в 2005 г., однако в каталоге MELCO они позиционируются в категории новинок. Предположительно, возросший спрос на высоковольтные модули вызван растущим применением более экономичных (и высоковольтных) двигателей в бытовой технике и промышленных приложениях. В 2008 году фирма анонсировала новые типы модулей в серии 1200V — PS22A72, PS22A73, PS22A74, PS22A76, PS22A78-E [13] — под логотипом 1200V DIP-IPM. В таблице 3 приведены основные параметры модулей Intellimod Module из каталога Powerex, не включенные в таблицу 1 (в каталоге Powerex имеются практически все типы модулей из таблицы 1). Структура модулей этой серии соответствует той, что показана на рис. 5. Модули выпускаются в корпусах DIP (42 вывода).

Максимальное действующее значение тока I_o в индуктивной нагрузке (обмотки двигателей) зависит от разных факторов, в том числе и от частоты управляющих ШИМ-импульсов, выбираемой разработчиками систем питания на основе рассматриваемых модулей. На рис. 9 приведены зависимости I_o от частоты ШИМ-импульсов модулей серии Ver. 3 (в том числе PS21865, PS21867, не представленных в таблицах 1, 3). Характеристики для модулей с типовыми параметрами сняты при V_cc = 300 B, V_d = V_db = 15 B, T = 125 °C, P.F = 0,8, частота модуляции ШИМ-сигналов — 60 Гц. На рис. 10 приведены такие же характеристики для модулей серии Ver. 4.

Напряжение насыщения V_ce IGBT и падение напряжения на антипараллельных диодах V_ec модулей существенно зависит от величины выходного тока I_c Для примера на рис. 11 показана типовая зависимость V_ce от I_c и V_ec от -I_c модулей PS22A78-E при различной температуре выводов T_j.

Использованные термины и сокращения:

CVCF inverter (Constant Voltage Constant Frequency Power Supply) — преобразователь постоянного напряжения в переменное с постоянной частотой).

Fault (signal, out, circuit) — сигнал, выход устройства, цепь/схема индикации отказов или срабатывания схем защиты различных электронных приборов.

HVIC (High Voltage Integral circuit) — схема управления верхними ключами мостовых схем.

LVIC (Low Voltage Integral circuit) — схема управления нижними ключами мостовых схем.

OT (Over Temperature) — схема защиты от перегрева микросхем, устройств и т. д.

OV/UV (Over/Under Voltage) — схема защиты от перенапряжений/пониженного напряжения.

SC (Short Circuit) — схема защиты от коротких замыканий.