Российские IGBT-модули производства ОАО Контур

Каждой из сфер применения силовых модулей соответствует разная мощность и рабочая частота (рис. 1).

Рис. 1. Сферы применения силовых модулей

Как видно, самые большие мощности требуются в энергетике, металлургии и электротранспорте. Затем следуют источники бесперебойного питания, регулируемые электроприводы, робототехника и сварочная техника, крупная бытовая техника, автомобили, источники вторичного питания и аудиовидеотехника. Аналогично можно сделать разделение по рабочей частоте преобразования. Таким образом, при выборе модулей необходимо учитывать два вышеописанных параметра: исходя из того, в какую область мы попадаем, видно, какие силовые модули лучше всего использовать на заданной мощности и рабочей частоте — тиристорные, IGBT или MOSFET модули.

Рынок силовых модулей в России на 95% заполнен продукцией импортного производства. Однако при этом существуют российские аналоги зарубежных силовых модулей. Они, как правило, дешевле и могут применяться там, где запрещено использование импортной продукции (например, электроника для ВПК). К сожалению, известность российских производителей силовых модулей пока не так широка. Тем не менее, они успешно работают на рынке, постепенно завоевывая популярность у российских разработчиков. Одним из примеров может служить компания ОАО «Контур», работающая на рынке относительно недавно (с 1998 года), но уже выпускающая широкий спектр современной элементной базы для производителей преобразовательной, приводной и бытовой техники, а также для ВПК. Предприятием налажен серийный выпуск более 50 наименований IGBT силовых модулей (на напряжения 600–1700 В и токи до 400 А) и MOSFET силовых модулей (на напряжения 100–800 В и токи 30–500 А). В 2006 году на предприятии в строй было введено полностью автоматизированное технологическое оборудование, которое позволяет исключить человеческий фактор из процесса производства и обеспечить 100%-ный выходной параметрический контроль изделий. Модули производятся на базе импортных кристаллов ABB Semiconductors, что позволяет получить качество импортных модулей по цене российских. Послепродажный сервис и техническая поддержка всех поставляемых модулей гарантирует разработчику, что он никогда не останется один на один с неработающим изделием, ему всегда придут на помощь квалифицированные специалисты. В данной публикации мы рассмотрим самую широкую и популярную линейку модулей ОАО «Контур» — IGBT силовые модули.

IGBT (Insulated-Gate Bipolar Transistor) — биполярный транзистор с изолированным затвором. Сегодня эти устройства занимают наибольший сектор рынка силовых транзисторов. Основу IGBT силовых модулей составляют IGBT-транзисторы. Основными отличиями их от других транзисторов являются: малая величина остаточного напряжения (не более 2,5 В), устойчивость к большим импульсным токам, малые емкости и заряды затворов, большие допустимые энергии переключения, расширенный диапазон области безопасной работы, высокие частоты переключения (до 25 кГц). Благодаря этому модули на их основе имеют высокую надежность, высокое быстродействие и удобство в эксплуатации. Структуру приборов составляют одиночный ключ, чоппер, полумост, инвертор. Кристаллы IGBT реализованы на гомогенной структуре SPT с n+ буфером обеспечивающим наименьшие статические и динамические потери, повышенную стойкость и мягкую коммутацию. Все приборы имеют встроенный инверсный быстровосстанавливающийся MPS-диод с «мягкими» характеристиками обратного восстановления, оптимизированный под применение с STP-IGBT. Корпус модуля включает изолированное медное основание (беспотенциальный). Изоляция осуществляется керамикой Al₂O₃. Это приборы с номинальным напряжением в диапазоне 600–1700 В, падением напряжения не более 1,7–2,0 В и токами до 400 А. Их применение снижает стоимость систем.

Сегодня ОАО «Контур» выпускает следующие типы силовых IGBT-модулей:

1. Ключ — серия МТКИ (рис. 2).
   
   

   Рис. 2. Ключ (cерия МТКИ)

2. Полумост — серия М2ТКИ (рис. 3).
   
   

   Рис. 3. Полумост (серия М2ТКИ)

3. Верхний чоппер — серия МТКИД (рис. 4).
   
   

   Рис. 4. Верхний чоппер (серия МТКИД)

4. Нижний чоппер — серия МДТКИ (рис. 5).
   
   

   Рис. 5. Нижний чоппер (серия МДТКИ)

5. Шестиключевой — М6ТКИ-100-12 (рис. 6).
   
   

   Рис. 6. Шестиключевой (М6ТКИ#100#12)

Примечания:

• R_thjc — тепловое сопротивление между переходом и корпусом.
• U_ce — напряжение «коллектор–эммитер».
• T_d — время задержки выключения.
• R_thjcD — тепловое сопротивление между кристаллом и основанием.
• U_f — прямое падение напряжения.
• trr — время обратного восстановления.

Характеристики корпуса МТКИ (рис. 7):

• Масса: 240 г.
• Габариты: 106,5×61,5×36 мм.

Характеристики корпуса М2ТКИ (рис. 8):

• Масса: 240 г.
• Габариты: 106,5×61,5×46 мм.

Характеристики корпуса МТКИД (рис. 9):

• Масса: 190 г.
• Габариты: 94×34×36 мм.

Характеристики корпуса МДТКИ (рис. 10):

• Масса: 250 г.
• Габариты: 122×62×20,5 мм

Рис. 7. Корпус МТКИ	Рис. 8. Корпус М2ТКИ
Рис. 9. Корпус МТКИД	Рис 10. Корпус МДТКИ

Для успешной и безаварийной работы с IGBT-модулями необходимо:

1. Правильно рассчитать и выбрать драйвер для управления IGBT-модулями.
2. Правильно осуществить монтаж модуля на конечное изделие, соблюсти тепловой режим работы.
3. Правильно осуществить электрическое подключение модуля.
4. Убедиться, что при любом режиме работы схемы IGBT-модуль будет работать внутри допустимого для него технического диапазона.
5. Так как модули чувствительны к статическому пробою, принять меры к защите модуля от статического электричества.

Рассмотрим более подробно данные требования.

1. Для управления силовыми модулями рекомендуется применять драйверы на основе гибридных интегральных схем серии МД производства ОАО «Контур». Это МД215П, МД250П, МД280П. Каждая такая ИС содержит два канала управления транзисторами с предельно допустимым напряжением до 1700 В и обеспечивает защиту от перегрузок, короткого замыкания в нагрузке, недостаточного уровня напряжения на затворе транзистора. Входная и выходная схемы драйвера изолированы друг от друга посредством оптронов и трансформаторов с напряжением изоляции до 4 кВ. В случае возникновения перегрузки или пониженного напряжения питания драйвер формирует статусные сигналы и плавно выключает силовые транзисторы. С помощью внешних элементов режим работы драйвера настраивается для оптимального управления различными силовыми модулями. Пиковый выходной ток (для МД280П) — не более 8 А, задержка защитного отключения по U_нас — не более 3 мкс.

Исходными данными для расчета драйвера являются:

• входная емкость модуля СB_вхB или эквивалентный заряд QB_вхB;
• входное сопротивление модуля RB_вхB;
• размах напряжения на входе модуля ΔU = 30 В (от –15 до +15 В);
• максимальная рабочая частота, на которой работает модуль fB_maxB.

Необходимо найти импульсный ток, протекающий через управляющий вход модуля IB_maxB, максимальную мощность DC/DC-преобразователя Р.

На рис. 11 приведена эквивалентная схема входа модуля, которая состоит из емкости затвора СB_зB, ограничивающего резистора на затворе R_BзB и внешнего ограничивающего резистора R_BогрB. Общий резистор, ограничивающий ток затвора, состоит из R_BогрB и R_BзB, то есть R_BобщB = R_BогрB + R_BзB.

Рис. 11. Эквивалентная схема входа силового модуля

Если в исходных данных задан заряд QB_вхB, то необходимо пересчитать его в эквивалентную входную емкость СB_вхB = QB_вхB/ΔU.

Реактивная мощность, потребляемая емкостью модуля, рассчитывается по формуле PB_cB= fB_maxB × QB_вхB × ΔU. Общая мощность DC/DC-преобразователя драйвера РB_общB складывается из мощности, потребляемой выходным каскадом драйвера РB_выхB, и реактивной мощности, потребляемой входной емкостью модуля РB_сB: Р = РB_выхB + РB_сB.

Рабочая частота и размах напряжения на входе модуля при расчетах взяты максимальными, следовательно, получаем максимально возможную при нормальной работе драйвера мощность DC/DC-преобразователя.

Зная общее сопротивление ограничивающего резистора RB_общB, можно найти импульсный ток протекания через драйвер: IB_maxB = ΔU/RB_общB.

Учитывая результаты расчетов, можно произвести выбор драйвера, необходимого для управления выбранным модулем.

Мощность, выделяемая на ограничивающем резисторе RB_огрB, рассчитывается по формуле РB_RогрB = IP^2PB_средBxR, где IB_средB — средний ток затвора, который можно найти по формуле IB_средB = fB_maxBxQB_вхB.

2. Чтобы не повредить модуль при монтаже, необходимо учесть:

• требования к охладителю (неплоскостность поверхности охладителя, ограниченной крепежными отверстиями, должна быть не более 30 мкм, шероховатость R_a — не более 2,5 мкм);
• для уменьшения теплового сопротивления необходимо нанести на основание модуля тонкий равномерный слой теплопроводящей пасты (запрещается наличие в пасте, на контактных поверхностях модуля и охладителя твердых частиц, приводящих при креплении модуля к деформации основания и разрушению внутренних элементов модуля);
• необходимо соблюдать порядок затягивания винтов (рис. 12).
  
  

  Рис.12.
  а) Порядок затягивания винтов 1-2 (корпус 34×94 мм);
  б) порядок затягивания винтов 1-4-3-2 (корпус 62×107 мм)

3. При подключении модуля в схему необходимо соблюдать следующие требования:

• напряжение на затворе транзистора должно быть +15 В при включении и от –5 до –15 В при выключении. Время нарастания и спада напряжения управления должно быть как можно короче. Максимальное напряжение на затворе не должно превышать ±20 В;
• для соединения управляющих выводов модуля с выходом драйвера используются проводники как можно меньшей длины, при этом необходимо применять витую пару проводов или прямой монтаж платы драйвера на выводы управления модуля;
• для защиты модулей от коммутационных перенапряжений в цепи «коллекторэмиттер» рекомендуется применение снабберных RC- и RCD-цепей, установленных непосредственно на силовых выводах модуля;
• для минимизации коммутационных перенапряжений индуктивность силовых шин должна быть минимальной (предпочтителен вариант плоских шин, разделенных изолятором);
• для выключения тока короткого замыкания необходимо предусмотреть меры по предотвращению возникновения больших коммутационных перенапряжений, которые могут привести к выходу за область безопасной работы и пробою модуля.

4. Для надежной и безаварийной работы IGBT-модулей рекомендуются следующие режимы:

• рабочие пиковые напряжения в схемах должны быть не более 80%, а рабочее постоянное напряжение — 50–60% от классификационного значения напряжения «коллектор–эмиттер»;
• повторяющееся пиковое значение тока должно быть не более 80% от классификационного значения постоянного тока коллектора IBкB, однократный ток перегрузки не должен превышать 2IBсB при длительности импульса 1 мс;
• длительность протекания восьмикратного 8IBкB тока перегрузки через каждый транзистор модуля не должна превышать 5 мкс;
• температура кристалла не должна превышать 120 °С, температура основания не должна превышать 85 °С;
• при включении преобразователя сначала подается напряжение питания на систему управления и драйверы, затем на модули. При выключении снятие напряжений питания производится в обратном порядке.

5. При транспортировке, монтаже и эксплуатации необходимо принимать меры по защите модулей от воздействия статического электричества:

• при транспортировке модулей затвор и управляющий вывод эмиттера должны быть закорочены токопроводящими перемычками, которые не снимаются до момента подключения модуля в схему;
• для защиты затвора от статического пробоя непосредственно в схеме необходимо подключение резистора сопротивлением 10–20 кОм параллельно цепи «затвор–эмиттер»;
• при монтаже обязательно применение персоналом заземляющих браслетов, заземленных низковольтных паяльников с питанием через трансформатор;
• измерительное и испытательное оборудование должно быть надежно заземлено.

В условиях жесткой конкуренции сегодня немаловажным аспектом становится то, насколько спроектированное изделие будет отвечать требованиям рынка. А это, в свою очередь, зависит и от цены комплектующих вообще, и силовых модулей в частности. Так как силовые модули ОАО «Контур» дешевле на 40–50% своих зарубежных аналогов, то использование их в устройстве снижает его стоимость. В заключение приведем таблицу аналогов силовых IGBT-модулей российского и импортного производства. Сравнение будем проводить с одним российским и четырьмя мировыми производителями IGBT-модулей: «Электровыпрямитель», SEMIKRON, International Rectifier, EUPEC, Mitsubishi.