Компактные модули IGBT MiniSKiiP: инструкция по применению

Общие положения

В конструкции компонентов семейства MiniSKiiP использована технология прижимного контакта, обеспечивающая надежную работу в жестких условиях и высокую стойкость к термоциклированию. Cиловые модули, ориентированные на применение в приводах мощностью свыше 100 кВт, могут содержать различные конфигурации схем, включая CIB (выпрямитель, инвертор, тормозной каскад). Наличие встроенного термодатчика (терморезистора) позволяет контролировать температуру подложки и отключать силовой каскад при перегреве.

Рис. 1. Типы корпусов модулей MiniSKiiP, сборка трехфазного инвертора на базе MiniSKiiP Dual

В конструкции MiniSKiiP использована керамическая DCB-подложка Al₂O₃ (напряжение изоляции 2,5 кВ АС/1 мин), обеспечивающая эффективный отвод тепла на радиатор. Благодаря высокой плотности тока, применению согласованных по ТКР материалов и прижимной технологии сборки, модули MiniSKiiP становятся оптимальным вариантом для применения в надежных компактных приводах малой и средней мощности.

MiniSKiiP: основные особенности и топологии схем

• Новейшие технологии IGBT/FWD и выпрямительных диодов с рабочим напряжением 600/650, 1200 и 1700 В;
• четыре типа корпусов;
• номинальный ток: 4–400 A;
• конфигурации схем: CIB, трехфазный инвертор, сдвоенный трехфазный инвертор, H-мост, полумост, 3L NPC/TNPC, неуправляемые и полууправляемые мосты с тормозным чоппером;
• пружинные контакты для сигнальных и силовых подключений;
• соединение с радиатором и платой управления за одну технологическую операцию одним или двумя винтами;
• безбазовые модули с технологией прижимного контакта;
• встроенный PTC- или NTC-термодатчик.

Конфигурации схем, представленные на рис. 2, позволяют использовать компоненты серии MiniSKiiP в широком классе моторных приводов мощностью от единиц до десятков кВт. Все топологии схем и модули MiniSKiiP включены в базу программы теплового расчета SEMISEL V5 [8].

Рис. 2. Топологии схем MiniSKiiP

MiniSKiiP: квалификационные тесты, условия эксплуатации

В таблице 1 перечислены виды тестов на надежность и соответствующие стандарты, подтверждающие готовность продукции к серийному производству. Подобным испытаниям подвергаются все новые и/или доработанные модули, их объем может быть расширен для конкретных видов компонентов в зависимости от условий применения.

 Примечание: *для стандартных тиристоров и выпрямительных диодов со стеклянной пассивацией чипов; **для поколения IGBT T7 или выше.

Компоненты семейства MiniSKiiP квалифицируются в соответствии с IEC/TR 60721-4-1, их хранение осуществляется в оригинальной упаковке (без преднанесенного слоя TIM) в течение двух лет в условиях климатического класса 1K21 (IEC 60721-3-1):

• температура хранения: +5…+40 °C;
• относительная влажность: 5–85%;
• абсолютная влажность:< 25 г/м³.

MiniSKiiP: особенности конструкции

Контактная система

Уникальность компонентов семейства MiniSKiiP состоит в использовании пружинных выводов для силовых и сигнальных подключений. Характеристики такого соединения (контактное сопротивление) при различных токах определяются комбинацией свойств материалов покрытия пружин и площадок печатной платы (PCB). Для соответствия экологическим директивам RoHS рекомендуется использовать следующие технологии покрытия РСВ:

• сплав никель-золото (NiAu);
• олово с выравниванием горячим воздухом (HAL Sn);
• химическое олово (Chem. Sn).

При изготовлении печатных плат для MiniSKiiP не следует использовать органическую пассивацию OSP (Organic Solderability Preservatives). Такая технология не способна обеспечить длительную защиту от коррозии, слой OSP почти полностью исчезает после пайки или 6-месячного хранения.

К толщине олова не предъявляется никаких особых требований, подходят любые стандартные бессвинцовые технологии, такие как HAL и Chem Sn. Из-за отклонений в процессе производства печатных плат и использования нескольких циклов оплавления может случиться, что слой олова будет источен за счет роста интерметаллической фазы при монтаже модуля. При этом для функционирования пружинной контактной системы MiniSKiiP в пределах спецификации нанесение дополнительного слоя олова не требуется. Интерметаллическая фаза также обеспечивает долговременную защиту медных трасс на РСВ от окисления.

Наилучшими контактными свойствами обладают пружины с серебряным покрытием, при этом оптимальным материалом покрытия площадок РСВ считается сплав NiAu. Для обеспечения функциональности диффузионного барьера Ni толщина никелевого покрытия должна быть не менее 5 мкм.

Дизайн печатной платы

Ответственность за проектирование печатных плат лежит на заказчике, который обязан соблюдать соответствующие правила. В частности, дизайн DC-шин должен обеспечивать минимальную распределенную индуктивность, поэтому трассы –DC/+DC следует выполнять плоско-параллельными с максимально возможной площадью меди. Сигнальные цепи затвора и эмиттера также нужно прокладывать параллельно и близко друг к другу. Стандартная прижимная крышка MiniSKiiP имеет определенные полости, позволяющие устанавливать под ней SMD-компоненты с максимальной высотой 3,4 мм. При этом следует убедиться, что они не конфликтуют с контактными точками крышки MiniSKiiP. В качестве материала PCB может быть использован FR 4, толщина медных слоев — по стандарту IEC 326-3.

Компоненты устанавливаются на печатную плату с помощью пайки волной, оплавления или селективной пайки. Посадочные площадки для пружинных контактов должны быть свободны от любых загрязнений, таких как припой, флюс, пыль, жир или другие вещества. При пайке волной компонентов, расположенных на нижней стороне РСВ, контактные площадки нужно защищать от брызг припоя с помощью металлического трафарета. При использовании клейкой ленты для маскировки посадочных площадок исключается попадание клея, ухудшающего качество контакта. На контактных площадках не должно быть сквозных отверстий с покрытием (переходных отверстий), наличие которых ухудшает свойства прижимного соединения.

Пружинные контакты

• Материал: сплав K88;
• покрытие: серебро (Ag), толщина 1–5 мкм; контактная площадка (верхний и нижний слой), толщина 3–5 мкм;
• защита поверхности: металлическая пассивация, толщина <0,1 мкм.

Базовый материал K88 — это высококачественный сплав, разработанный фирмами Wieland Werke и Olin Brass для применения в коннекторах. Он обладает большим пределом текучести (550 МПа), очень хорошей формуемостью, допускающей резкий изгиб, высокой электропроводностью (80% в удельных единицах IACS), а также отличным сопротивлением релаксации для долговременного стабильного пружинного усилия в диапазоне рабочих температур. В течение всего срока службы в пружинных контактах MiniSKiiP не наблюдается усталостных эффектов.

Для того чтобы исключить износ тонкой серебряной поверхности, ее покрывают металлической пассивирующей пленкой. Такая защита пружинных контактов MiniSKiiP от потускнения имеет только косметические цели, она исключает сульфурацию и потускнение серебра в течение примерно полугода. Приблизительно через полгода после изготовления, в зависимости от толщины слоя пассивации, начинается обесцвечивание пружин, степень которого может отличаться (рис. 3).

Рис. 3. Примеры обесцвечивания поверхности пружин

Обесцвечивание вызвано тонкими слоями сульфида, которые со временем образуются на посеребренных поверхностях. Они очень тонкие и хрупкие, легко разрушаются во время монтажа и не ухудшают электрический контакт. Таким образом, модули MiniSKiiP с обесцвеченными пружинами могут использоваться без каких-либо ограничений.

Для обеспечения надлежащего соединения пружинный контакт должен выступать над корпусом не менее чем на 0,9 мм (измеряется от поверхности корпуса до головки пружины, рис. 4). Следует исключить загрязнение контактов маслом, жиром или другими веществами, поэтому нельзя прикасаться к пружинам голыми руками.

Рис. 4. Выступ пружинных контактов

Электромиграция и образование нитевидных формаций

Для того чтобы исключить риск электромиграции, SEMIKRON проводит испытания контактной системы в агрессивной среде с высокой концентрацией H₂S (10 ppm), условия которых приведены в таблице 2 и 3.

Нитевидные формации представляют собой электропроводящие кристаллические образования, растущие на поверхности металла из-за сжимающего напряжения, присутствующего в металлической структуре. Этот процесс ускоряется при воздействии агрессивной атмосферы. После тестирования наблюдался рост нитей на краях пружин в областях с минимальной толщиной покрытия, что никак не влияет на изоляционные свойства MiniSKiiP. Корпус модуля и направляющие пружин непроводящие и изготовлены из пластика, поэтому там не может возникнуть никаких проблем. Рост нитей на головке пружины также не опасен, напротив, их наличие улучшает качество соединения пружинного контакта и площадки РСВ.

Области безопасной работы (ОБР, SOA) IGBT

Графики ОБР не включаются в технические спецификации полупроводниковых приборов, их можно найти в руководствах по применению в виде стандартизированных кривых, относящихся к параметрам V_CES и I_CRM или I_Cnom (для трех классов напряжения 600, 1200 и 1700 В). На рис. 5 показан пример области безопасной работы IGBT, ограничивающей максимальный ток коллектора (горизонтальная линия) и напряжение «коллектор-эмиттер» (вертикальная линия). Предельные номинальные значения тока подразумевают, что чипы IGBT не нагреваются выше максимально допустимой температуры (T_j = +150 или +175 °C).

Рис. 5. ОБР для режима включения (SOA), ОБР для режима блокировки (RBSOA)

Модули IGBT могут работать только в режиме переключения, линейный режим не допускается, также исключено превышение максимального значения V_CES. Из-за внутренней паразитной индуктивности L_S, во время коммутации индуцируется всплеск сигнала, поэтому максимальное напряжение на силовых терминалах V_CEmax,T должно быть меньше, чем V_CEmax (пунктирная линия на рис. 5).

В определенных условиях IGBT способны активно прерывать состояние короткого замыкания (КЗ). При этом чипы, действующие в активной рабочей зоне, генерируют большие потери мощности, что приводит к подъему температуры намного выше пикового значения T_j,max. Однако благодаря положительному ТКН, то есть температурному коэффициенту напряжения «коллектор-эмиттер», ток КЗ стабилизируется на уровне (4–6)×I_Cnom.

Для безопасного отключения режима перегрузки необходимо выполнить следующие граничные условия:

• допустимая продолжительность короткого замыкания t_sc определена в технических спецификациях (максимальное напряжение на DC-шине уменьшается до 360 В для IGBT 600 В и до 800 В для IGBT 1200 В);
• количество циклов КЗ не должно превышать 1000 в течение всего срока службы IGBT;
• время между двумя циклами КЗ должно быть не менее 1 с.

На рис. 6 приведен пример ОБР для режима КЗ (SCSOA) при заданной скорости выключения di/dt. Следует учесть, что напряжение на чипах превышает уровень сигнала на силовых выводах модуля на L_s×di/dt, поэтому максимальную величину V_CE нужно скорректировать соответствующим образом.

Рис. 6. ОБР для режима короткого замыкания (SCSOA)

MiniSKiiP: тепловые характеристики R_th и Z_th

Величина статического теплового сопротивления, приводимого в технических спецификациях, основана на результатах измерений:

R_th(1-2) = DT/P_v = (T₁ – T₂)/P_v

Как видно из приведенного уравнения, разница температур DT оказывает существенное влияние на величину R_th, поэтому положение контрольных точек и метод измерения очень важны.

Поскольку модули MiniSKiiP не имеют базовой платы, SEMIKRON нормирует для них тепловое сопротивление R_th(j-s) между кристаллами и теплостоком. Этот параметр во многом зависит от свойств термопасты и конструкции радиатора. Для измерения тепловых параметров MiniSKiiP используются контрольные точки, показанные на рис. 7:

• T_j — так называемая «виртуальная температура чипов» — среднее значение температуры по поверхности кристалла;
• T_s — температура радиатора, измеряется в отверстии в 2 мм ниже модуля, непосредственно под чипом.

Рис. 7. Контрольные точки для измерения тепловых сопротивлений

Более подробная информация о нормировании тепловых сопротивлений дана в руководстве AN-1404 [3]. Приведенные в документации значения R_th могут быть использованы для определения стационарных тепловых режимов. Для более детальных и точных расчетов с учетом переходных процессов важно создать динамическую тепловую модель радиатора, учитывающую ряд факторов, в том числе положение чипов.

При включении «холодного» модуля величина R_th оказывается меньше статического значения, указанного в технической спецификации, что связано с наличием внутренних тепловых емкостей модуля. В первый момент они являются «незаряженными», а их «заряд» происходит за счет тепловой энергии, возникающей из-за генерации потерь во время работы полупроводникового прибора. При этом значение R_th возрастает, поэтому для определения динамики процесса вводится понятие динамического теплового импеданса Z_th. Когда все теплоемкости заряжены, энергия потерь должна быть выделена в окружающую среду. В этот момент импеданс Z_th достигнет статического значения R_th, определенного в спецификации (рис. 8).

Рис. 8. Z_th — динамический тепловой импеданс (с термопастой Wacker P12 и НРТР)

Переходные тепловые характеристики модулей SEMIKRON измеряются в процессе их проектирования. На основе этих измерений создается математическая модель Фостера (Foster model), описываемая следующим уравнением:

Значения элементов модели Фостера для конкретных модулей доступны по запросу.

Встроенный датчик температуры

Модули MiniSKiiP имеют в своем составе датчик температуры с NTC- или PTC-характеристикой, конкретные данные указаны в технической спецификации. Сенсор обычно размещается на краю DBC-подложки вблизи чипа IGBT, что связано с требованиями изоляции, с одной стороны, и ограниченным пространством, с другой. Тепловая связь в этом случае недостаточно эффективна для контроля нагрева кристаллов, поэтому датчик используется в качестве индикатора температуры теплостока. Рекомендуемый порог отключения силовых транзисторов составляет около +115 °C при использовании стандартных радиаторов воздушного охлаждения. Температуру датчика в наихудших условиях эксплуатации можно определить путем моделирования методом конечных элементов с учетом системы охлаждения. Отметим, что при использовании жидкостного охлаждения тепловая связь сенсора и чипов еще меньше.

Характеристика PTC-датчика SKCS2 Temp 100 приведена на рис. 9, а его параметры и выражение для расчета сопротивления — в таблице 4.

Рис. 9. Зависимость сопротивления датчика SKCS2 Temp 100 от температуры

Номинальное сопротивление РТС-сенсора — 1 кОм ±3% при +25 °C (±2% при +100 °C), типовой ТКС — 0,76 %/K, рекомендуемое значение измерительного тока 1–3 мА.

Номинальное сопротивление NTC-сенсора KG3B-35-5 — 25 кОм ±5% при +25 °C (±2% при +100 °C), типовой ТКС — 0,76 %/K, рекомендуемое значение измерительного тока 1–3 мА. Характеристическая кривая приведена на рис. 10, параметры и выражение для расчета сопротивления — в таблице 5.

Рис. 10. Зависимость сопротивления датчика KG3B-35-5 от температуры

Электрическая изоляция

Как было отмечено, датчик температуры MiniSKiiP установлен рядом с чипами IGBT и FWD на одной и той же изолирующей подложке (рис. 11), обеспечивающей так называемую функциональную изоляцию между сенсором и другими цепями, если иное не указано в техническом описании. Параметры изоляции тестируются в процессе производства.

Рис. 11. Положение термодатчика на DBC-подложке

Электрическая перегрузка, вызванная коротким замыканием, способна привести к оплавлению чипа и разрыву его соединительных проводников, что приведет к возникновению высокоэнергетического плазменного разряда и электрической дуги (рис. 12). Путь распространения плазмы непредсказуем — дуга может достичь термодатчика, который окажется под высоким напряжением. Уровень безопасной защиты в соответствии с EN 61800-5-1 достигается с помощью различных дополнительных мер, подробно описанных в стандарте.

Рис. 12. Высокоэнергетический плазменный разряд, вызванный плавлением проводникового вывода чипа

Пластиковая прижимная крышка MiniSKiiP имеет металлическую вставку, с ней электрически соединяется винт, фиксирующий модуль на радиаторе. Поскольку эти элементы оказываются под одинаковым электрическим потенциалом, необходимо учитывать пути токов утечки и изоляционные зазоры.

Расстояние между металлической вставкой и печатной платой (1 на рис. 13) составляет более 8,6 мм для стандартной крышки и 5,8 мм для тонкой крышки (рис. 14). Внутреннее расстояние между винтом и платой (2 на рис. 13) превышает 6,1 мм при толщине РСВ 1 мм, как показано на рис. 15. Если печатная плата толще 1 мм, то зазор соответственно уменьшается (например, для РСВ = 1,5 мм длина утечки составит 6,1 – 0,5 = 5,6 мм).

Рис. 13. Поперечное сечение сборки «РСВ — MiniSKiiP — радиатор», зоны определения путей токов утечки

Рис. 14. Поперечное сечение с путями токов утечки от «тонкой» прижимной крышки до РСВ

Рис. 15. Поперечное сечение с путями токов утечки от крепежного винта до РСВ

Модули MiniSKiiP заливаются силиконовым гелем с диэлектрической прочностью 23 кВ/мм, который обеспечивает электрическую изоляцию от DBC подложки до радиатора (3 на рис. 13), а также от подложки до крепежного винта (4 на рис. 13).

Сравнительный трекинг-индекс (CTI)

Параметр CTI характеризует способность материала изолятора препятствовать трекингу — возникновению токопроводящих путей утечки по поверхности корпуса изолятора в условиях загрязнения.

Типоразмер MiniSKiiP 1-3: изоляционный материал, группа I (CTI ≥ 600).

Типоразмер MiniSKiiP 0: изоляционный материал, группа IIIa (400 > CTI ≥ 175).

Стандартная крышка 0-3: изоляционный материал, группа IIIa (400 > CTI ≥ 175).

Тонкая крышка 0-3: изоляционный материал, группа IIIa (400 > CTI ≥ 175).

Тепловые характеристики материалов

Для теплового моделирования необходимо знать свойства материалов, используемых при изготовлении MiniSKiiP, — толщину слоев, удельную теплоемкость и проводимость. Структура силового модуля показана на рис. 16, характеристики материалов приведены в таблице 6. Особенно сильно от температуры зависит теплопроводность кремния, она снижается примерно на 0,5 Вт/(м·К) на 1 К примерно до 100 Вт/(м·К) при +125 °C.

Рис. 16. Конструктивные слои сборки силового модуля

Заключение

Применение пружинных контактов для подключения выводов управления и силовых цепей, а также простая, экономичная и не требующая пайки конструкция, позволяющая осуществлять сборку модуля, интерфейсной платы и теплоотвода с помощью одного винта, — таковы основные преимущества семейства модулей MiniSKiiP.

Возможность соединения всех электрических цепей MiniSKiiP за одну технологическую операцию позволяет сократить затраты на разработку и производство по сравнению с традиционными конструкциями примерно на 15%. Использование пружинных контактов делает процесс сборки простым и гибким: вместо сквозных отверстий на печатной плате (PCB) требуются только контактные площадки. Важно отметить, что PCB выполняет также функцию звена постоянного тока, поскольку разводка цепей питания производится печатными линиями. Прижимной способ соединения существенно повышает надежность работы сборки в условиях тепловых и механических воздействий, что сделало компоненты семейства MiniSKiiP промышленным стандартом для производства приводов мощностью до 40 кВт [1].

Как правило, для изготовления силовых преобразователей в диапазоне мощности 40–90 кВт применяются стандартные модули 34 и 62 мм с базовой платой и винтовыми терминалами. Безбазовые компоненты семейства MiniSKiiP, имеющие простейший прижимной способ подключения, становятся хорошей альтернативой стандартным IGBT. Линейка модулей MiniSKiiP также дополнилась полумостовыми ключами MiniSKiiP Dual (конфигурация GB) на токи 150–300 А (650 В), 150–300 А (1200 В) и 100–200 А (1700 В), которые можно использовать для разработки преобразователей мощностью до 90 кВт. В них реализована новая конструктивная концепция, обеспечивающая их максимально простое включение в состав трехфазной схемы. При использовании этих компонентов одновременно решаются обе поставленные задачи — снижение стоимости комплектующих и уменьшение производственных расходов.