Новый однокристальный инвертор в корпусе SMD компании Mitsubishi Electric

Kiyoto Watabe

Marco Honsberg

Hatade Kazunari

Toru Araki
Роман Фукалов

Технология литьевого прессования широко используется при производстве корпусов надежных силовых модулей для различных мощностей от сотен ватт до более чем 4 кВт. Она прекрасно подходит для большого числа модулей IGBT и IPM. Ее преимуществом, по сравнению с конкурирующими, является возможность двойного использования медной рамы — как проводника и как охладителя. Кроме того, данная технология позволяет использовать голые чипы IGBT-диодов и управляющих микросхем, и нет необходимости предварительно упаковывать компоненты.

С момента своего появления технология корпусирования совершенствуется, особенно в области уменьшения теплового сопротивления и достижения максимальной выходной мощности. Новые корпуса отвечают существующим тенденциям миниатюризации в силовой электронике.

Для управления двигателями мощностью 200 Вт и меньше традиционно используются дискретные IGBT в корпусе DPAK и интегрированные микросхемы драйверов в корпусе для поверхностного монтажа. Основное применение для приводов такой мощности — бытовая техника (стиральные машины, холодильники и т. д.). Использование дискретных компонентов в данных устройствах приводит к усложнению печатных плат и увеличению трудоемкости монтажа элементов. Возможное решение проблем — применение компактных высокоинтегрированных интеллектуальных модулей (IPM) в корпусе для поверхностного монтажа.

Технология корпусирования

Внешний вид нового корпуса показан на рис. 1.

На рис. 1 видно, что часть выводов объединены для улучшения теплоотвода от медной рамы к печатной плате, которая выступает как дополнительный охладитель. Более того, высоковольтные и низковольтные выходы находятся по разным сторонам корпуса для увеличения изоляционных промежутков.

На медной раме модуля установлен один кристалл, который содержит драйвер, цепи защиты, а также IGBT и обратные диоды. Медная рама благодаря своей хорошей теплопроводности эффективно используется для увеличения поверхности рассеяния тепла, таким образом уменьшая Rth (j-a).

Требования к печатной плате

Общая площадь печатной платы, требующаяся для данного корпуса, 11,93 мм × 17,50 мм = 208,78 мм².

Попробуем оценить площадь печатной платы при использовании дискретных компонентов: 3 высоковольтных интегральных схемы в корпусе SO-8, каждая размером 5 мм × 6,2 мм = 31 мм² и 6 дискретных IGBT в корпусе DPAK, каждый размером 6,5 мм × 10 мм = 65 мм²; то есть требуемая суммарная площадь печатной платы (без учета более сложной разводки) 3 × 31 мм² + 6 × 65 мм² = 481 мм².

Таким образом, при использовании M81500FP размер печатной платы уменьшается более чем в два раза (рис. 2).

Благодаря разделению силовой части и управления возможно использование однослойных печатных плат.

Структура и функции защиты

Структурная схема M81500FP показана на рис. 3. Для питания управляющих цепей используется один источник напряжения 15 В, подключенный к выводу Vcc. Все входы UPIN…VPIN и UNIN…VNIN совместимы с 3- и 5-вольтовой логикой и могут быть напрямую подключены к DSP или микропроцессору.

Сигналы управления проходят через блок контроля, который исключает возможность короткого замыкания (КЗ) по плечу инвертора (включение верхнего и нижнего транзистора одновременно). Питание верхних ключей осуществляется с помощью цепей зарядки, диоды для них встроены в кристалл. Сюда же встроена защита от пониженного напряжения, как для верхних, так и для нижних ключей. В случае обнаружения падения напряжения соответствующая группа IGBT отключается, а при срабатывании защиты по нижним ключам выдается сигнал ошибки.

В M81500FP встроена эффективная защита от КЗ — высокоскоростной компаратор, который при появлении напряжения 0,5 В на входе CIN отключает транзисторы. Напряжение берется с шунта, установленного между выходами VNO1/2 и GND. Шунт рассчитывается по следующей формуле:

Для предотвращения ложных срабатываний между входом CIN и компаратором встроена цепь фильтрации.

В дополнение к защите по электрическим параметрам данный модуль инвертора содержит тепловую защиту, которая срабатывает при температуре 140 °С и снимается при 120 °С. При импульсе защиты выдается сигнал ошибки на выход FO.

Благодаря тому что все драйверы и цепи защиты интегрированы на кристалле, для работы однокристального инвертора требуются только 3 керамических конденсатора (для цепей зарядки), один шунт и один керамический конденсатор в цепи питания.

Технология кристалла

Кристалл в интегральной микросхеме однокристального инвертора выполнен по технологии «кремний на изоляторе». Силовая часть сформирована Н-канальными IGBT (цилиндрической структуры для большей устойчивости к КЗ) и диодами. Цепи управления построены на 24-вольтовой CMOS-технологии, за исключением схемы сдвига уровня, построенной на базе HV-NMOS-структуры.

Данный кристалл выполнен по 1,3 мкм-технологии. Для изоляции применена Multiple Floating Field Plate, позволяющая стабилизировать поверхностное электрическое поле и при коммутации, и в установившемся режиме. Данные технологии были впервые применены в ранее разработанных высоковольтных интегральных схемах на 600 и 1200 вольт и показали свою надежность в эксплуатации.

Созданные образцы кристаллов были протестированы. На рис. 4 и 5 можно увидеть тестовые осциллограммы для включения и выключения соответственно.

На рис. 4 можно заметить, что максимальное значение dV/dt всего лишь 1,7 кВ/мкс. Выключение при напряжении на шине постоянного тока 300 В показывает небольшое перенапряжение при умеренном dI/dt.

Устойчивость к токам короткого замыкания оказывает влияние на надежную работу привода в целом. Следовательно, IGBT в ситуации КЗ должен противостоять высоким нагрузкам до момента, пока встроенная зашита не обнаружит аварию и не отключит модуль. В настоящее время стойкость IPM в прессованном корпусе — около 4,5 мкс для 0,6 мкм-планарных кристаллов и 1 мкм CSTBT соответственно, управляющая интегральная схема должна отключить IGBT в течение микросекунды. Таким образом, надежная зашита от КЗ создана.

На рис. 6 показана реальная стойкость к КЗ новых IGBT при комнатной температуре.

Рис. 6 показывает, что образец IGBT выдержал короткое замыкание в течение 21 мкс при начальной температуре 25 °С. Но чаще КЗ происходит при более высокой начальной температуре кристалла (максимальная нагрузка на модуль). Устойчивость к КЗ при полной нагрузке и температуре кристалла 125 °С показана на рис. 7.

На осциллограмме видно, что после 11 мкс не удалось отключить IGBT. Однако при 10 мкс это не составило проблем, несмотря на жесткие условия работы. Учитывая это, а также наличие системы управления, отключающей IGBT при коротком замыкании в течение одной микросекунды, можно говорить о действительно высокой стойкости к нему данного модуля.

Демонстрационная плата

Была разработана демонстрационная плата габаритами 59 мм × 38 мм (рис. 8), содержащая, кроме IPM-модуля, простой контроллер (NEC mPD78F0712). Плата показывает степень интеграции, которую можно достигнуть при использовании M81500FP. В качестве нагрузки — бесколлекторный двигатель постоянного тока.

Заключение

M81500FP — более компактный и надежный модуль для приводов малой мощности в сравнении с ранее используемыми дискретными решениями.