Серия отечественных кремниевых и карбидокремниевых силовых FRD- и IGBT-модулей специального и общепромышленного назначения

Современная электроника стремительно развивается. Растут мощности оборудования, повышается энергоемкость процессов, при этом крайне остро стоят проблемы миниатюризации и повышения КПД. Многие проблемы позволяет решить использование источников вторичного питания на основе силовых модулей, что наряду с широкой применимостью IGBT-модулей для питания электропривода, простотой управления и возможностью коммутации мощностей до тысяч киловатт делает их одним из базовых элементов современной силовой электроники.

Рынок силовых модулей в России развивается, но на данный момент сильно отстает от общемирового, при этом основная масса применяемых в отечественной промышленности изделий выпускается зарубежными фирмами. Силовые модули импортного производства часто закладываются в элементную базу даже при разработке оборудования специального назначения (за неимением отечественных аналогов), хотя применимость данных изделий ограничивается суженным диапазоном рабочих температур, ограниченной защищенностью изделия от климатических условий и механических воздействий, а также отсутствием стойкости к спецфакторам.

Учитывая потребности отечественной промышленности, компания «ГРУППА КРЕМНИЙ ЭЛ» разработала и освоила линейку силовых модулей (рис. 1), обладающих следующими конкурентными преимуществами:

Рис. 1. Типы корпусов силовых модулей и диодных сборок специального и общего назначения, серийно выпускаемых АО «ГРУППА КРЕМНИЙ ЭЛ»

• Серийно выпускаемые изделия с приемкой «5» с гарантированной ТУ стойкостью к воздействию специальных факторов внесены в перечень ЭКБ. Для упрощения разработки оборудования на этапе макетирования, а также для производственных нужд общепромышленного назначения вся линейка силовых модулей и диодных сборок имеет аналоги с приемкой «1».
• Металлополимерные корпуса монолитной конструкции, обеспечивающие полную защиту от климатических факторов в широком диапазоне температур (–60…+125 °С, хранение до +150 °С).
• Широкая номенклатура, включающая наиболее востребованные схемотипы изделий: одиночные ключи, нижние и верхние чопперы, полумосты, трехфазные мосты, одиночные и сдвоенные диоды.
• Наличие в линейке изделий, обладающих совместимостью pin-to-pin с импортными IGBT-модулями с шириной основания 34 и 62 мм.
• Наличие в линейке изделий в корпусах собственной разработки, позволяющих обеспечить миниатюризацию оборудования, в том числе аналог популярного корпуса SOT-227 с улучшенными механическими характеристиками и климатической стойкостью.
• «Мягкие» динамические характеристики. Электрические и временные характеристики на уровне зарубежных аналогов.

Силовые модули производства АО «ГРУППА КРЕМНИЙ ЭЛ» внесены в перечень ЭКБ 03-2020 и с начала серийного выпуска нашли широкое применение во многих отраслях промышленности, в ряде сфер не имея альтернатив благодаря своей радиационной и климатической стойкости. Но, несмотря на серийное производство и многолетний положительный эксплуатационный опыт, линейка силовых модулей не перестает развиваться. Опираясь на полученные за долгое время выпуска навыки в изготовлении IGBT- и FRD-модулей, множество проведенных исследовательских работ и экспериментов, а также учитывая практику и пожелания потребителей, «ГРУППА КРЕМНИЙ ЭЛ» провела работу по модернизации наиболее массовых корпусов — МПК-34 и МПК-62.

Изменения претерпят не только конструкция корпуса (рис. 2), который стал еще более жестким и надежным, но и внутренняя разводка прибора (рис. 3). Улучшения механических свойств корпуса удалось добиться за счет замены материала и технологии изготовления деталей, что позволило отказаться от использования нескольких корпусных элементов, объединив их в один и добавив дополнительные внутренние силовые конструкции. При этом, естественно, полностью сохраняются габаритные и присоединительные размеры, размерная сетка выводов, цоколевки изделий и все ключевые параметры.

Рис. 2. Выпускаемый и модернизированный варианты корпусов МПК-34 и МПК-62

Рис. 3. Образец внутренней разводки модернизированного корпуса

Обновленный корпус создавался не только для улучшения механических свойств, но и для оптимизации сборочных процессов и параметров готовых изделий с учетом накопленного опыта. В результате удалось унифицировать ряд деталей, переработать конструкции плат и схемы размещения кристаллов, а также применить новые методики сборки, некоторые из них не имеют аналогов. За счет этого были уменьшены паразитные емкости и индуктивности силовых и сигнальных цепей, улучшена помехозащищенность приборов, обеспечено более равномерное распределение тепла по поверхности основания при работе прибора и снижено R_th. Разница в эффективности теплоотвода от кристалла между текущей и обновленной конструкцией может достигать 5%, что видно из расчетных моделей (рис. 4).

Рис. 4. Моделирование тепловых процессов в серийном и модернизированном корпусе

Кроме улучшения ряда эксплуатационных параметров, в том числе энерго- и термоциклостойкости приборов, обновленные конструкции корпусов позволяют при необходимости разместить больше схемных типов, открывая дополнительные возможности для дальнейшего развития линейки силовых модулей. Выпуск приборов в корпусах обновленной конструкции намечен на конец 2021 года.

Перспективным путем дальнейшего развития линейки силовых модулей общего и специального назначения видится применение в производстве кристаллов на основе широкозонных полупроводников. Одним из первых в России АО «ГРУППА КРЕМНИЙ ЭЛ» освоило собственное серийное производство диодов Шоттки на основе карбида кремния, что позволяет наряду с «классическими» вариантами IGBT- и FRD-модулей на кремниевых диодах и транзисторах выпускать и так называемые гибридные модули на основе кремниевых IGBT- и SiC-диодов.

Для исследования возможности и перспективности применения SiC-диодов Шоттки было проведено сравнение экспериментального образца с серийно выпускаемым аналогом на FRD (рис. 5, табл.).

Рис. 5. Сравнение времени и энергии включения и выключения транзистора гибридного и кремниевого IGBT-модуля

Из приведенных осциллограмм и таблицы видно, что применение SiC-диодов Шоттки позволяет значительно снизить энергию потерь и время включения IGBT, а значит, и поднять рабочие частоты прибора. К недостаткам гибридных модулей относительно кремниевых IGBT-модулей можно отнести повышенные обратные токи диодов и более высокую стоимость, а относительно модулей, собранных исключительно на SiC-кристаллах, — более низкое быстродействие и пониженную рабочую температуру. Таким образом, гибридные модули занимают промежуточную нишу между Si и SiC силовыми модулями, частично сочетая основные достоинства обоих типов: относительную доступность и повышенное быстродействие.

На данный момент АО «ГРУППА КРЕМНИЙ ЭЛ» по заявкам потребителей производит макетные образцы гибридных IGBT-модулей и диодных сборок на основе SiC-диодов Шоттки, возможны разработка и выпуск новых типономиналов приборов по просьбе заказчика. Также по запросу возможно освоение серийного производства изделий общего назначения.

Силовые IGBT-модули являются ключевыми элементами современной силовой электроники для большинства типов преобразовательного оборудования. Для России это динамично развивающийся рынок с серьезной конкуренцией в лице зарубежных производителей, прочно занявших свою нишу в самых разных отраслях промышленности. Только постоянное развитие технологий и конструкций, использование новых материалов, обеспечение преимуществ по климатической стойкости и стойкости к специальным факторам, а также 100%-ный контроль качества на каждом этапе производства позволяют конкурировать с импортными изделиями и обеспечивать выполнение программы импортозамещения.