Развитие IGBT-модулей от «Электрум АВ»

Конструктив первых IGBT-модулей обусловило изначальное направление производства «Электрум АВ» — твердотельные реле. В качестве прототипов в то время были выбраны реле производства Crydom, и в частности, разработан корпус, аналогичный по габаритным и присоединительным размерам мощным модулям от Crydom. Этот конструктив получил наименование ДМ (рис. 1). И именно в этом конструктиве были изготовлены первые IGBT-модули, на несколько лет определившие первое поколение данного типа изделий.

Рис. 1. Внешний вид модулей в конструктиве ДМ

С технической точки зрения не было препятствий для создания IGBT-модулей в конструктиве и с технологиями твердотельных реле. Ведь конструктивно реле также представляет собой сборку силовых транзисторов, расположенных на радиаторе, и установленную выше плату управления. Если убрать плату управления, фактически получается IGBT-модуль. Таким образом, первое поколение IGBT-модулей представляло собой сборку корпусных транзисторов в модуле с объемной герметизацией, по габаритным и присоединительным размерам приближенным скорее к реле, нежели к IGBT-модулям как таковым.

Первое поколение имело преимущества в простоте технологии и дешевизне, при этом обладая высокой надежностью в работе со средней нагрузкой. Однако в жестких режимах эксплуатации проявлялись недостатки «релейного» подхода: реле, практически не имея динамических потерь, гораздо менее требовательно к тепловому сопротивлению, нежели, например, полумост, работающий на том же токе и напряжении, но при частоте 20 кГц. Необходимо было уменьшать тепловое сопротивление, чего можно было достичь только заменой корпусных транзисторов на кристаллы. Разумеется, кристаллы транзисторов также являли собой следующее поколение IGBT-транзисторов, что позволило улучшить и технические характеристики модулей (табл. 1). И если в конструктивном плане для потребителя это изменение было практически незаметно, то в плане технологии это была почти революция. Следовательно, и такие модули, хотя и конструктивно не отличались от предыдущих, имели иные особенности в плане технологии производства, а потому являлись уже поколением 1+.

К поколению 1+ следует отнести менее мощные IGBT-модули в конструктивном исполнении Е2, чей внешний вид приведен на рис. 2, они также имели в своей основе кристаллы. Однако в отличие от ДМ конструктив Е2 изначально был заточен под IGBT-транзисторы, и его дальнейшее изменение практически не требовалось. А вот для ДМ назревала необходимость кардинальных изменений. Причина этих изменений все в том же изначальном базисе — релейной конструкции. В свое время габаритные и присоединительные размеры не были критичны для потребителя, но прогресс не стоял на месте, импортные модули активно завоевывали рынок, и потребитель стал желать «так же». Требовались те же габаритные размеры, как у «стандартных» импортных модулей, последовательное расположение шин для полумоста; «+» и «–», расположенные на линии не вдоль модуля, а поперек, уже не удовлетворяли сложившимся представлениям о топологии преобразователей. Ответом на требования заказчика стала разработка нового, второго поколения IGBT-модулей.

Рис. 2. Внешний вид модулей в конструктиве Е2

Второе поколение — это модули в конструктивах, аналогичных наиболее распространенным импортным конструкциям, таким как 62-мм корпус, имеющийся в номенклатуре почти всех производителей силовых модулей, и аналоги конструктивов sp6 и sp4 от Microsemi. Эти модули получили обозначения Е3, М1 и М2 соответственно (рис. 3–5).

Рис. 3. Внешний вид модулей в конструктиве Е3

Рис. 4. Внешний вид модулей в конструктиве М1

Рис. 5. Внешний вид модулей в конструктиве М2

Таким образом, второе поколение IGBT-модулей уже полностью отвечало требованиям современного представления о силовом IGBT-модуле, причем и в плане конструкции, и в плане технологии, и в плане технических характеристик. Доказательством тому служит сравнение модулей FF200R12KE3 и М12-200-12-Е3, приведенное в таблице 2.

Если отличия в поколениях 1 и 1+ заключались прежде всего в технологиях и почти не коснулись конструкции, то отличия между поколениями 1+ и 2, наоборот, в большей степени относились к конструкции, в то время как технологические изменения были уже не столь значительны. И поскольку, чтобы не отставать от прогресса, требуется все больше и больше усилий, то для создания поколения 3 понадобилось пересмотреть подходы как в технологическом, так и в конструктивном направлении.

IGBT-модули третьего поколения — это малогабаритные силовые модули с низким профилем в конструктивном исполнении М3 (внешний вид модуля приведен на рис. 6), аналогичном конструктиву Sot-227.

Рис. 6. Внешний вид модулей третьего поколения в конструктиве М3

Данное конструктивное исполнение требует множества изменений и в части технологии производства. Шины специальной конструкции, выдерживающие значительно большее количество термоциклов относительно модулей второго поколения и тем более относительно первого поколения (модули с объемной герметизацией); корпус, изготовленный по технологии трансферного литья; минимизация длинных связей с целью уменьшить паразитные индуктивности и т. д. В части технологии данный модуль содержит новшеств больше, чем все предыдущие поколения, вместе взятые. В настоящее время третье поколение еще проходит стадию опытных образцов и предварительных испытаний, но так же, как со всей неизбежностью менялись предыдущие поколения, так и модули типа М3 являются неизбежным будущим для IGBT-модулей производства «Электрум АВ».