90 кВт на печатной плате: новые возможности MiniSKiiP Dual

MiniSKiiP Dual — альтернатива IGBT 34 и 62 мм

Использование силовых модулей с пружинными контактами делает процесс сборки максимально простым и гибким. Заметно упрощается и трассировка печатной платы (PCB), поскольку вместо сквозных отверстий требуются только контактные площадки. При этом PCB выполняет функцию звена постоянного тока, так как на ней располагаются конденсаторы шины питания, соединенные с силовым модулем и между собой печатными линиями. Прижимной способ подключения значительно повышает надежность работы сборки в условиях тепловых и механических воздействий, что сделало компоненты семейства MiniSKiiP самыми востребованными на мировом рынке промышленных приводов мощностью до 40 кВт [1].

Рис. 1. Сборка трехфазного инвертора на базе MiniSKiiP Dual: прижимная крышка, интерфейсная плата, силовые модули, радиатор. Для сборки требуется один или два крепежных элемента на модуль, паяные соединения отсутствуют

Как правило, для изготовления силовых преобразователей мощностью более 40–50 кВт применяются стандартные модули IGBT с базовой платой и винтовым способом подключения DC- и АС-терминалов в корпусах EconoDual или 34/62 мм.

Несколько лет назад линейка MiniSKiiP дополнилась полумостовыми ключами MiniSKiiP Dual (конфигурация GB) на токи 150–300 А (650 В), 150–400 А (1200 В) и 100–200 А (1700 В), которые можно использовать для разработки преобразователей мощностью до 90 кВт. Очевидно, что для трассировки силовых шин в подобных устройствах требуется печатная плата с повышенной нагрузочной способностью, исключающей перегрев медных дорожек. Максимальная токовая нагрузка для стандартных PCB FR-75 при корректном выборе ширины трасс составляет около 150 А. При мощности инвертора 90 кВт нагрузочную способность печатных дорожек следует увеличить до 300 А, толщина слоя металлизации в этом случае должна быть не менее 105 мкм. Кроме того, необходимо учесть тепло­выделение внутри самих модулей MiniSKiiP, которые могут содержать не только IGBT-инвертор, но и выпрямитель и тормозной каскад.

На рис. 2 показана топология трехфазного инвертора на базе MiniSKiiP Dual. Пружинные контактные группы силовых DC-цепей расположены на одной стороне корпуса, а АС-выходы — на другой. Это обеспечивает простое и низкоиндуктивное соединение по DC-шине и, соответственно, низкий уровень коммутационных перенапряжений. Разделение трех стоек инвертора улучшает процесс распределения тепла на поверхности радиатора, уменьшает перегрев кристаллов, исключает взаимное тепловое влияние плеч преобразователя.

Рис. 2. Топология трехфазного инвертора на базе MiniSKiiP Dual: один модуль на фазу, силовые АС- и DC-терминалы расположены по разные стороны модуля

Поскольку допустимая нагрузка на один контакт не превышает 20 А_rms, силовые терминалы модулей MiniSKiiP Dual в наиболее мощном варианте объединяют 16 пружинных выводов. Это обеспечивает надежную работу при номинальной нагрузке (фазный ток 170–180 А_rms) и достаточную перегрузочную способность.

Анализ тепловых характеристик и обеспечение отвода тепла являются важнейшими вопросами, требующими обязательного решения при проектировании силовой преобразовательной техники. Температура кристаллов новых поколений в перегрузочных режимах может достигать +150…+175 °С, и без соответствующей системы охлаждения невозможно обеспечить надежную работу изделия в течение срока службы.

Модули MiniSKiiP не имеют базовой платы, что позволяет снизить суммарное тепловое сопротивление «кристалл — радиатор» R_th(j-s) за счет уменьшения толщины слоя термопасты, на который в системах с жидкостным охлаждением приходится до 30% R_th(j-s). Давление, создаваемое центральным крепежным винтом MiniSKiiP, распределяется по поверхности DCB-подложки за счет специальных прижимных элементов в корпусе. Это обеспечивает равномерную передачу тепла от кристаллов на радиатор и полностью исключает «биметаллический» эффект.

В стандартных модулях 62 мм с номинальным током 300 А, как правило, используется два 150-А кристалла IGBT и два диода (FWD) на одно плечо. Тепловые характеристики MiniSKiiP Dual оптимизированы за счет увеличения количества параллельных чипов: в каждом плече установлено четыре 75-А IGBT и три FWD. Это создает более равномерное распределение тепла по поверхности подложки и увеличивает эквивалентную площадь сечения теплового потока. В самом мощном модуле семейства SKiiP39GB12E4V1 (I_Cnom = 400 A) каждый ключ содержит четыре параллельных 100-A чипа IGBT.

Преобразователь 90 кВт на базе модулей MiniSKiiP Dual

Элементная база

На рис. 3 показан внешний вид и принципиальная схема прототипа преобразователя мощностью 90 кВт, разработанного специалистами SEMIKRON и предназначенного для помощи конструкторам в освоении технологии прижимного соединения. В устройстве использованы силовые модули, имеющие одинаковый типоразмер MiniSKiiP 3:

• входной выпрямитель — SKiiP39AN16V1;
• инвертор и тормозной чоппер — 4×

Рис. 3. Внешний вид и схема преобразователя 90 кВт на базе MiniSKiiP Dual

Основные параметры изделия приведены в таблице 1.

В выпрямителе SKiiP39AN16V1 установлены кристаллы диодов нового поколения, производимые по технологии SKR PEP 1600V. Их главная особенность — повышенная на 25 °C рабочая температура
(T_jmax = +175 °C), увеличивающая плотность тока на 20–25%. Новые выпрямительные диоды по температурному диапазону совместимы с IGBT, их тепловые характеристики перестали быть главным ограничивающим фактором при проектировании компактных преобразователей. Такие же кристаллы применяются в интегральных модулях CIB (Converter/Inverter/Brake), содержащих выпрямитель, инвертор и тормозной каскад. Еще одна особенность чипов РЕР — повышенная стойкость к воздействию влаги, что обеспечивает их соответствие новым требованиям по надежности ТНВ-80.

Для управления полумостовыми IGBT-модулями в преобразователе использован цифровой драйвер SKYPER 12, фрагмент спецификации которого показан на рис. 4. Устройство разработано на основе специализированной микросхемы SEMIKRON ASIC в металлокерамическом корпусе, его основные особенности перечислены ниже:

• сверхнизкий уровень джиттера и фазовой ошибки (< 20 нс), высокая стабильность временных характеристик в течение срока службы;
• управление IGBT с напряжением 600, 1200 и 1700 В;
• мощность: 1,5 Вт на канал;
• частота коммутации: до 100 кГц;
• напряжение изоляции: 4 кВ;
• наработка на отказ: MTBF > 4×10⁶ ч.

Рис. 4. Фрагмент спецификации цифрового ядра драйвера SKYPER 12 Driver Core

Система охлаждения

Одним из важнейших этапов проектирования является тепловой расчет и выбор элементов системы охлаждения. Суммарная мощность потерь, определенная с помощью программы SEMISEL [5] на основе «целевых» технических требований (табл. 1), — около 2 кВт. На рис. 5 показаны результаты анализа тепловых режимов: для того чтобы нагрев радиатора при максимальной мощности не превысил +90 °С, его тепловое сопротивление R_th(s-a) в области инвертора не должно превышать 0,033 К/Вт, а в области выпрямителя — не более 0,1 К/Вт.

Рис. 5. Расчет системы охлаждения:
а) характеристическая кривая вентилятора SKF3-230;
б) рабочая точка на характеристической кривой радиатора;
в) радиатор Р×16;
г) результаты теплового расчета

Для разработки прототипа выбран высокоэффективный профиль Р×16 длиной 420 мм с величиной R_th(s-a) = 0,0317 К/Вт. Его охлаждение осуществляется тремя осевыми вентиляторами SKF3-230. Внешний вид радиатора, характеристические кривые и результирующая рабочая точка системы охлаждения представлены на рис. 5.

Звено постоянного тока

Не менее ответственным узлом, во многом определяющим срок службы конвертера, является звено постоянного тока. Как правило, параметры емкостей выбирают из условия обеспечения показателя LTE (Life-Time Expectation — ожидаемый срок службы) не менее 100 тыс. ч при номинальной нагрузке. Лимитирующий фактор — температура в самой нагретой точке конденсатора T_hs определяется потерями, создаваемыми током пульсаций, и тепловым сопротивлением. Потери в емкостях DC-шины создаются наложением токов выпрямителя и инвертора, расчетное значение I_{ripple_300Гц} = 68 A_rms, I_{ripple_4кГц} = 114 A_rms. Результирующая емкость 9000 мкФ образована последовательно-параллельным соединением 24 конденсаторов EPCOS 400 В/1500 мкФ, их основные параметры приведены на рис. 6.

Рис. 6. Фрагмент технической спецификации конденсатора EPCOS B43513-A9 (400 В/1500 мкФ, +85 °С)

Особенности конструкции, результаты испытаний

Токонесущая способность PCB

В соответствии с рекомендациями производителей печатных плат предельная рабочая температура на поверхности PCB не должна превышать +125 °С. Кривые на рис. 7 позволяют определить максимальную токовую нагрузку медных дорожек толщиной 70 и 105 мкм в зависимости от площади сечения (ширина 5 и 10 мм). Горизонтальная линия на уровне +125 °С ограничивает значения предельных токов для сечения 0,35, 0,525, 0,7 и 1,05 мм² соответственно.

Рис. 7. Влияние площади сечения трассы на токонесущую способность (толщина слоя меди 70 и 105 мкм, ширина печатной дорожки 5 и 10 мм)

Для правильного выбора площади сечения трассы, обеспечивающей достаточную токонесущую способность, можно использовать термодинамическую модель, описываемую следующим образом:

I = k×∆T^x ×A^y,

где I — ток нагрузки, А; ∆T — градиент температуры, °С; А — площадь сечения, мм²; k, X, Y — специфические константы.

Величины k, X, Y определяются экспериментально, два набора констант, полученных в результате моделирования по методам DN и IPC [6], приведены в таблице 2. Считается, что модель DN дает несколько преувеличенные значения, в то время как IPC позволяет получить достаточно хорошее приближение. Расчет температуры перегрева выполняется на основе значения тока и минимального сечения трассы с учетом производственных допусков.

Как сказано в предыдущем разделе, использование печатных трасс в качестве силовых шин представляет известную проблему из-за их ограниченной токонесущей способности. На рис. 8 отображена топология четырехслойной печатной платы конвертера. Для увеличения площади сечения и снижения температуры перегрева, шины цепей питания DC– и DC+ разведены на двух слоях. Как видно на рисунке, трассы выполнены планарными с целью минимизации распределенной индуктивности L_S.

Рис. 9. Испытательный стенд для проверки тепловых режимов, положение датчиков

Для изготовления прототипа конвертера выбран материал PCB с толщиной слоя металлизации 105 мкм, площадь сечения по меди обеспечивается выбором ширины трасс. Отметим, что еще одним достоинством широких дорожек является большая площадь поверхности, охлаждаемой за счет конвекции воздуха. На рис. 9 показан внешний вид испытательного стенда и положение термодатчиков. Эпюры токов и напряжений конвертера при максимальной нагрузке 90 кВт приведены на рис. 10.

Рис. 10. Рабочие режимы конвертера при выходной мощности 90 кВт (Iout = 200 A, Fsw = 4 кГц):
входное напряжение (синяя кривая),
входной ток (голубая кривая),
напряжение DC-шины (фиолетовая кривая),
выходной ток инвертора (зеленая кривая)

Тепловой профиль в различных зонах преобразователя, полученный с помощью инфракрасной камеры, представлен на рис. 11. В области инвертора при мощности 90 кВт отсутствуют зоны критического перегрева на PCB (T< +113 °C), коммутационных элементах, пружинных контактах.

Рис. 11.
а) Тепловой профиль инвертора (Iout = 180 Arms, Fsw = 4 кГц, Ta = +25 °С);
б) тепловой профиль выпрямителя (выходной ток инвертора Iout = 180 Arms);
в) тепловой профиль выпрямителя при дополнительном охлаждении PCB-вентилятором EBM Papst 8414 NH, положение вентилятора относительно платы

Наибольший нагрев наблюдается вблизи силовых АС- и DC-терминалов модуля, где плотность тока максимальна. Самая горячая точка находится рядом с DC-выводом, а в зоне АС-терминала температура заметно ниже, поскольку трасса выхода инвертора имеет большую ширину и, соответственно, меньшее омическое сопротивление.

На стороне выпрямителя наблюдаются области с температурой до +150 °C. При установке дополнительного вентилятора EBM Papst 8414 NH для охлаждения (рис. 11в) температура в критических точках снизилась до +90 °C. Существуют и другие решения, позволяющие снизить перегрев до безопасного уровня, например увеличение толщины путем дополнительного лужения дорожек в критических зонах или использование большего количества слоев для трассировки силовых цепей. В последнем случае понадобится восьми­слойная плата.

Использование модулей с предварительно нанесенной термопастой

Модули семейства MiniSKiiP могут поставляться с предварительно нанесенным теплопроводящим материалом (TIM — Thermal Interface Material), что обеспечивает высокую стабильность тепловых характеристик, а также упрощает процесс монтажа. Основные преимущества заказа компонентов с термопастой:

• исключение сложной технологической операции, упрощение процесса сборки и обеспечение его высокой повторяемости;
• оптимизация толщины слоя пасты, снижение риска повреждения DBC-подложки при монтаже;
• оптимизация условий отвода тепла, снижение теплового сопротивления за счет равномерного распределения слоя пасты;
• обеспечение высокой временной стабильности тепловых характеристик за счет применения высокоэффективных и проверенных материалов TIM (Р12 и НРТР).

Термопаста наносится на модуль с помощью автоматизированного процесса трафаретной печати. Количество необходимого материала TIM, итоговая толщина слоя и другие параметры приводятся в технических спецификациях (рис. 12а). Величина теплового сопротивления R_th, указанная в документации на модуль, справедлива при использовании сертифицированных материалов (P12, НРТР) и строгом соблюдении инструкции по монтажу.

Рис. 12.
a) Фрагмент спецификации модуля MiniSKiiP с термопастой Wacker Р12;
б) требования к качеству поверхности радиатора

Автоматизированный процесс трафаретной печати гарантирует соблюдение всех норм, оговариваемых в технической документации. Небольшие отклонения параметров, связанные с допусками на трафарет (вариации размеров «сот» не более 5%) или ошибками в позиционировании, не влияют на процесс монтажа или тепловые свойства.

Для получения максимально эффективного отвода тепла от кристаллов поверхность радиатора должна удовлетворять требованиям, указанным в инструкции по монтажу (рис. 12б):

• радиатор должен быть очищен от любых загрязнений;
• неравномерность поверхности в пределах области монтажа не более 50 мкм (DIN EN ISO 1101);
• шероховатость поверхности R_Z не более 6,3 мкм (DIN EN ISO 4287);
• на поверхности не должно быть «ступенек» высотой более 10 мкм.

Модули с предварительно нанесенной термо­пастой проходят следующие виды квалификационных тестов:

• хранение при высокой температуре: +125 °С, 300 ч;
• хранение при низкой температуре: –40°С, 300 ч;
• хранение при высокой влажности и температуре: +85°С, 85% RH, 300 ч.

Транспортировка компонентов производится в специальных блистерных упаковках при температуре –25…+60 °С и относительной влажности 10–95% RH. В этих условиях модули могут храниться до 18 месяцев. Для исключения повреждения сотовой структуры TIM вскрытие блистера допускается только непосредственно перед монтажом модулей. На всех этапах монтажа следует соблюдать требования по защите от ESD, оговоренные в стандарте DIN EN 61340-5.

Инвертор 90 кВт: сравнение двух конструктивных концепций

На рис. 13 представлены две различные концепции построения силового инвертора мощностью 40–90 кВт: с использованием стандартных модулей IGBT (SEMiX, EconoDual) и модулей семейства MiniSKiiP (в данном случае Mini Dual). В первом случае звено постоянного тока представляет собой отдельный узел, соединяемый с DC-терминалами IGBT с помощью силовых шин. Вторая концепция, рассматриваемая в данной статье, предусматривает установку всех элементов и разводку всех цепей на печатной плате.

Рис. 13. Две конструктивные концепции инвертора:
а) стандартные модули 17 мм (SEMiX, EconoDual): ошиновка, внешнее звено постоянного тока;
б) модули MiniSKiiP Dual: все элементы и цепи на PCB

Сравнение экономических показателей двух конструктивных решений приведено в таблице 3, где за 100% принята стоимость классического инвертора на основе стандартных IGBT-модулей. Очевидно, что подобный анализ имеет очень условный характер, поскольку стоимость комплектующих, монтажных элементов и самой сборки может заметно отличаться. Однако относительная разница в процентном соотношении (порядка 10%) в любом случае будет в пользу концепции № 2.

Примечание. *Вместо датчиков тока на основе эффекта Холла на плате могут быть установлены резистивные шунты с изолирующими интегральными сигма-дельта-модуляторами [7].

Заключение

С момента начала производства компонентов семейства MiniSKiiP эта торговая марка стала одной из самых известных в мире силовой электроники. Широкая популярность модулей, ориентированных на применение в электроприводе, обусловлена не только отличными тепловыми и электрическими характеристиками, но и простотой их применения.

При сборке полностью исключается пайка, все электрические соединения осуществляются только за счет прижима. Использование пружинных контактов для подключения силовых и сигнальных цепей является уникальной особенностью компонентов серии MiniSKiiP, их высокая надежность и стойкость к тепловым, электрическим и механическим воздействиям подтверждена испытаниями и многолетним опытом эксплуатации [4].

Появление новых полумостовых модулей MiniSKiiP Dual расширило возможности платформы: теперь на базе компонентов семейства можно разрабатывать компактные и недорогие приводы мощностью до 90 кВт. Ранее в данном диапазоне мощности использовались только стандартные силовые ключи с базовой платой и традиционным способом подключения. Типы и основные характеристики MiniSKiiP Dual с рабочим напряжением 650, 1200 и 1700 В представлены в таблице 4.

В инверторе описанного в статье прототипа использовано три полумоста SKiiP 39GB12Е4V1, объединенных по DC-шине. Разнесение источников тепла по поверхности радиатора обеспечивает более эффективное охлаждение устройства. То же самое относится и к топологии размещения кристаллов на DCB-подложке модуля MiniSKiiP Dual: в каждом плече использовано четыре параллельных чипа IGBT и три диода.

Разработка новой серии безбазовых ключей MiniSKiiP Dual открывает широкие возможности для создания компактных, надежных и недорогих инверторов широкого применения в диапазоне мощности 40–90 кВт. Простая технология сборки с применением минимального количества крепежных элементов, отсутствие необходимости во внешнем звене постоянного тока с шинным способом подключения позволяют снизить стоимость готового изделия на 10–15% по сравнению с традиционным решением на основе стандартных IGBT-модулей.

Принципиальной особенностью конструкции преобразователя является применение печатной платы с высокой токо­несущей способностью для разводки силовых цепей. В нашем случае все элементы и цепи устройства размещены на стандартной четырехслойной PCB с толщиной металлизации 105 мкм. Измерения тепловых режимов конвертера, проводимые в ходе проектирования, позволили выработать новые правила трассировки силовых цепей. Их соблюдение помогает исключить перегрев PCB при высоких токах нагрузки и обеспечить надежную, долговременную работу модулей MiniSKiiP.

Гербер-файлы на плату конвертера доступны по запросу в офисе технической поддержки SEMIKRON в Санкт-Петербурге.