Новые двухпозиционные тиристорные модули на ток 700 А со сниженными статическими и тепловыми потерями

№ 6’2020
PDF версия
Показаны результаты модернизации силовых двухпозиционных тиристорных и тиристорно-диодных модулей модификаций МТ3, МТ4, МТ5, МТ/Д3, МТ/Д4 и МТ/Д5 с шириной основания 60 мм, рассчитанных на напряжение 1800 В.

Введение

В настоящее время модернизация конструкции дискретных полупроводниковых приборов для повышения ресурса их работы, снижения электрических и тепловых потерь, а также увеличения рабочих мощностей остается одним из актуальных вопросов для низкочастотных силовых полупроводниковых тиристоров и диодов [3–4]. Это обусловлено в первую очередь постоянным ростом производства, передачи, преобразования и потребления энергии, а также необходимостью систематического улучшения параметров и технико-экономических показателей преобразовательной техники [1]. Однако применение типовых (для современных IGBT-модулей) подходов к повышению мощности силовых тиристоров и диодов не всегда целесообразно, так как данные подходы предполагают достаточно долгую и дорогостоящую модернизацию, включающую применение более дешевых и прогрессивных композитных материалов, сокращение количества элементов конструкции, а также изменение отдельных элементов конструкции для сокращения себестоимости массового производства. С учетом данных подходов срок вывода модернизированного продукта на рынок вырастает до 2–3 лет (которых зачастую нет у клиента), а затраты на разработку продукта увеличиваются до уровня 300 000–400 000 EUR, что негативно отражается на экономическом эффекте от внедряемых усовершенствований. К тому же возникают дополнительные риски, например в части длительных полевых испытаний у потребителя или сложностей при проведении сертификации продукции [2]. В связи с этим подход по оптимизации параметров и характеристик силовых полупроводниковых элементов с минимальным уровнем переработки прочих элементов конструкции в настоящий момент остается все еще актуальным, причем использование современных средств моделирования позволяет уменьшить итерационность модернизации, сократить затраты на разработку и время вывода модернизированного продукта на рынок менее чем до года.

 

Снижение статических и тепловых параметров в двухпозиционном модуле с шириной основания 60 мм

По запросу от потребителя была проведена модернизация двухпозиционного силового тиристорного модуля типа А2 с шириной основания 60 мм, рассчитанного на напряжение 1800 В и средний ток 540 А (внешний вид модуля изображен на рис. 1).

Внешний вид модуля А2 с шириной основания 60 мм

Рис. 1. Внешний вид модуля А2 с шириной основания 60 мм

Текущая продуктовая линейка модулей типа А2 представлена на рис. 2.

Существующая линейка модулей А2

Рис. 2. Существующая линейка модулей А2

В данном варианте конструкции электрический и тепловой контакт полупроводниковых элементов обеспечивается за счет прижимной конструкции, что обуславливает повышенную циклостойкость и стойкость к ударным токам.

В процессе моделирования основных электрических параметров и характеристик были определены следующие решения, позволяющие достичь требуемых тепловых и электрических потерь модуля:

  • увеличение диаметра полупроводникового элемента и оптимизация топологии для расширения активной площади катода на 10%;
  • снижение удельного электрического сопротивления исходной кремниевой пластины;
  • уменьшение толщины диффузионного элемента и оптимизация диффузионного профиля (на рис. 3 приведены данные по расчетным и экспериментальным значениям).
Расчетные диффузионные профили стандартного МТ*-540-18-А2 и оптимизированного МТ*-700-18-А2 тиристорного модуля в сравнении с экспериментальными данными

Рис. 3. Расчетные диффузионные профили стандартного МТ*-540-18-А2 и оптимизированного МТ*-700-18-А2 тиристорного модуля в сравнении с экспериментальными данными

В результате изготовления опытной партии и проведения квалификационных испытаний были подтверждены основные результаты моделирования:

  1. Статические потери — снижение порогового напряжения (VT(TO)) на 5%, динамического сопротивления (rT) на 10%. На рис. 4 приведены данные по расчетным и экспериментальным значениям статических потерь в открытом состоянии стандартного МТ*-540-18-А2 и оптимизированного МТ*-700-18-А2 тиристорного модуля в сравнении с измеренными значениями по аналогам от других производителей.
  2. Тепловые потери — снижение теплового сопротивления переход-корпус (Rthjc) на 10%. На рис. 5 приведены экспериментальные значения теплового сопротивления стандартного МТ*-540-18-А2 и оптимизированного МТ*-700-18-А2 тиристорного модуля в сравнении с измеренными значениями по аналогам от других производителей.
  3. Ударный ток в открытом состоянии — увеличен на 20% при максимальной температуре p-n-перехода Tjmax = +130 °C. На рис. 6 приведены экспериментальные значения ударного тока в открытом состоянии для стандартного МТ*-540-18-А2 и оптимизированного МТ*-700-18-А2 тиристорного модуля в сравнении с измеренными значениями по аналогам от других производителей.

Статические потери стандартного МТ*-540-18-А2 и оптимизированного МТ*-700-18-А2 тиристорного модуля

Рис. 4. Статические потери стандартного МТ*-540-18-А2 и оптимизированного МТ*-700-18-А2 тиристорного модуля

Тепловое сопротивление переход-корпус стандартного МТ*-540-18-А2 и оптимизированного МТ*-700-18-А2 модуля

Рис. 5. Тепловое сопротивление переход-корпус стандартного МТ*-540-18-А2 и оптимизированного МТ*-700-18-А2 модуля

Ударный ток стандартного МТ*-540-18-А2 и оптимизированного МТ*-700-18-А2 модуля

Рис. 6. Ударный ток стандартного МТ*-540-18-А2 и оптимизированного МТ*-700-18-А2 модуля

Таким образом, в ходе модернизации был разработан двухпозиционный модуль МТ*-700-18 с увеличенным средним током в открытом состоянии (ITAV) на ~ 30% до 700 А при температуре корпуса Тс = +80 °С и максимальной температуре p-n-перехода Tjmax = +130 °C. При этом прочие электрические параметры и характеристики модуля не изменились. На рис. 7 представлена текущая линейка двухпозиционных модулей А2 с шириной основания 60 мм производства «Протон-Электротекс» с учетом нового 700-А модуля.

Обновленная линейка модулей А2

Рис. 7. Обновленная линейка модулей А2

Основные отличия норм параметров стандартного МТ*-540-18-А2 и оптимизированного МТ*-700-18-А2 представлены в таблице.

Таблица. Сравнение норм параметров

Обозначение и наименование параметра

МТ*-540-18-А2 МТ/Д*-540-18-А2

МТ*-700-18-А2 МТ/Д*-700-18-А2

Условия измерений

ITAV

Максимально допустимый средний прямой ток в открытом состоянии, А

540 (ТС = +85 °С)

700 (ТС = +80 °С)

180° эл. синус; 50 Гц

ITRMS

Действующий ток в открытом состоянии, А

845 (ТС = +85 °С)

1099 (ТС = +80 °С)

ITSM

Ударный ток в открытом состоянии, кА

15,5 (Tj = Tjmax) 18 (Tj = +25 °C)

20 (Tj = Tjmax) 23 (Tj = +25 °C)

180° эл. синус; tp = 10 мс; единичный импульс; UD = UR = 0 В

UDRM, URRM

Повторяющееся импульсное обратное напряжение и повторяющееся импульсное напряжение в закрытом состоянии, В

1400–1800

Tj min< Tj< Tj max; 180° эл. синус; 50 Гц

IDRM, IRRM

Повторяющийся импульсный обратный ток и повторяющийся импульсный ток в закрытом состоянии (макс.), мА

70 (Tj = Tjmax) 3(Tj = +25 °C)

UD = UDRM; UR = URRM

UTM

Импульсное напряжение в открытом состоянии (макс.), В

1,5 (ITM = 1570 А)

1,65 (ITM = 2198 А)

Tj = +25 °C

Rthjc

Тепловое сопротивление pnпереход-корпус (макс.), °C/Вт

0,0325 (на модуль) 0,0650 (на позицию)

0,0255 (на модуль) 0,0510 (на позицию)

180° эл. синус; 50 Гц

Tj

Температура pnперехода, °С

–40…+130

 

Выводы

В данной работе продемонстрированы результаты модернизации силовых двухпозиционных тиристорных и тиристорно-диодных модулей модификаций МТ3, МТ4, МТ5, МТ/Д3, МТ/Д4 и МТ/Д5 с шириной основания 60 мм, рассчитанных на напряжение 1800 В со сниженными тепловыми и электрическими потерями. В результате модернизации был получен модуль с увеличенным до 700 А средним током в открытом состоянии, характеризующийся уменьшенным тепловым сопротивлением p-n-переход-корпус, пороговым напряжением и динамическим сопротивлением, а также увеличенным ударным током без снижения показателей надежности и долговечности продукта.

Литература
  1. Bordignon P. VSC Conversion Technology for HVDC & FACTS, State of the Art and Future Trend. 2019 21st European Conference on Power Electronics and Applications (EPE ’19 ECCE Europe).
  2. Titushkin D., Surma A., Antonov S. Increasing power density in power modules with baseplate width of 60 mm. Conference PCIM Europe 2020. Nuremberg, Germany, 7–8 July, 2020.
  3. Grishanin A. V., Martynenko V. A., Khapugin A. A., Varyanova G. M., Baru A. Y. New thyristor mega-module for megawatt-range frequency converters. PCIМ
  4. Titushkin D., Surma A. New ways to produce fast power thyristors // Bodo’s Power Systems. 2015. Vol. 8.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.

hentao pornnporn.com telugu chatting west indies open sex youpornhindi.com first night xxnx maja mallika tamil dirty story xxxfiretube.com teen xxnx xxxxu indianpornsearch.com pooja kumar sex 喉奥性感イラマ痴女 浜崎真緒 javsextube.com 君嶋真由 i love porn sexxxymovs.com mallusexvideos tomcat doujinshi bluhentai.com tiny boobs giant tits history sequel black dog hentai mobhentai.com hentai onee chan jammu blue film indiananalfuck.com indian incest xvideos mugen fc2 javwhores.mobi 巨乳 あげ افلام نيك مترجم cyberpornvideos.com طيذ momteachessex indianxxxonline.com house wife x videos 君嶋真由 freejavonline.mobi クローゼット 寝取られ sexx tamil indianfuckass.com bengali milf mia khalifa hard fuck pelisporno.org newsexstory