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

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).

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

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

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).

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 (V_T(TO)) на 5%, динамического сопротивления (r_T) 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 (R_thjc) 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 T_jmax = +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.

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

Рис. 5. Тепловое сопротивление переход-корпус 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 (I_TAV) на ~ 30% до 700 А при температуре корпуса Т_с = +80 °С и максимальной температуре p-n-перехода T_jmax = +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.

Рис. 7. Обновленная линейка модулей А2

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

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.