ОАО «Электровыпрямитель» расширяет производство IGBT силовых модулей

№ 3’2008
PDF версия
В статье представлено семейство IGBT силовых модулей, выпускаемых ОАО «Электровыпрямитель», описываются ход развития производства и способы обеспечения качества этих изделий.

Алексей Бормотов

Вячеслав Мускатиньев

Владимир Чибиркин

Валентин Мартыненко

В ОАО «Электровыпрямитель» серийное производство
IGBT-модулей освоено более 10 лет
назад. В течение прошедшего времени номенклатура
выпускаемых предприятием IGBT-модулей
увеличилась с 35 почти до 300 типов. Эти приборы
выпускаются в 10 конструктивных исполнениях,
как по типовым, так и по нестандартным
схемам по требованиям заказчиков. Успешному
освоению данных изделий способствовал многолетний
опыт ОАО «Электровыпрямитель» в области
силовой полупроводниковой техники, высококвалифицированный
персонал, работающий в отделе
новых разработок и в полупроводниковом
производстве, действующая на заводе международная
система менеджмента качества DIN EN ISO
9001:2000 (TUV CERT).

В ОАО «Электровыпрямитель» разработана и внедрена
в производство серия IGBT-модулей на токи
от 25 до 4800 А, напряжения 600, 1200, 1700, 2500,
3300 и 6500 В (рис. 1). Модули выпускаются по схемам
одиночных ключей, чопперов, полумостов
и трехфазных инверторов. Они соответствуют требованиям
международных стандартов и взаимозаменяемы с многими
зарубежными аналогами, продающимися
на российском рынке [1].

Рис. 1. Диапазон токов и напряжений IGBT.модулей ОАО «Электровыпрямитель»

В настоящее время предприятием производятся
IGBT-модули на основе кристаллов нескольких поколений,
отличающихся технологией изготовления.
Каждая модификация IGBT имеет свои характеристики,
оптимизированные для применения в определенном
частотном диапазоне (таблица 1). В целом
семейство выпускаемых приборов охватывает практически
весь круг применений и задач, которые решаются
сегодня IGBT-модулями.

Области применения

Выпускаемые ОАО «Электровыпрямитель» IGBT
предназначены для работы в энергосберегающих преобразователях
частоты широкого применения, в диапазоне
коммутируемых мощностей от 0,5 кВт до
10 МВт. С использованием изделий ОАО «Электровыпрямитель
» успешно реализован ряд проектов
по применению IGBT-модулей в оборудовании нефтегазового
комплекса, железнодорожного транспорта,
горнодобывающих предприятий, машиностроения,
жилищно-коммунального хозяйства, радиолокации
и в других областях применения.

На основе данных модулей производятся электроприводы
переменного тока, высоковольтные источники
питания и модуляторы напряжения, источники
бесперебойного электроснабжения, электросварочное
оборудование, установки индукционного нагрева,
источники питания лазерных и рентгеновских установок,
современное медицинское оборудование и др.

IGBT-модули нашли широкое применение в энергосберегающих
преобразователях частоты для низковольтных
асинхронных электроприводов [2, 3],
которые активно используются в промышленности,
нефтегазодобывающей отрасли, коммунальном хозяйстве.

В ОАО «Электровыпрямитель» разработаны и освоены
в производстве IGBT-модули транспортного исполнения,
предназначенные для преобразовательного
электрооборудования подвижного состава российских
железных дорог. Модули этой серии имеют
повышенную энерготермоциклостойкость и созданы
в первую очередь для использования в условиях жестких
климатических и механических воздействий, характерных
для российских железных дорог. Приборы данной серии применены
в преобразователях для бортового питания локомотивов, в новых
системах электродинамического торможения
тепловозов, электроприводе городского
транспорта (троллейбусы, трамваи).
Для электрооборудования подвижного состава
железных дорог разработаны новые
IGBT-модули с напряжением изоляции 13 кВ.
Они используются в высоковольтных блоках
многоканальных преобразователей частоты
собственного изготовления для бортового питания
магистральных электровозов постоянного
тока и электропоездов [4]. В процессе работы
над этими приборами разработаны и запатентованы
оригинальные технические
решения, которые позволяют выпускать сегодня
IGBT-модули в конструкциях с напряжением
изоляции до 20 кВ.

Создание подобных силовых модулей решает
проблему преобразования напряжения
контактной сети 3000 В в стабильное напряжение
бортового питания электровозов независимо
от всех возможных колебаний и перенапряжений
в тяговых сетях. Эта разработка
открывает большие возможности для внедрения
в отечественный электрифицированный
транспорт современного, компактного и надежного
оборудования для питания собственных
нужд локомотивов и тягового привода.

ОАО «Электровыпрямитель» выпускает
высоковольтные преобразователи частоты
(ВПЧА) на основе IGBT с выходной мощностью
от 500 кВт до 2,0 МВт для электроприводов
асинхронных двигателей класса напряжений
6,0 и 10,0 кВ [5]. Преобразователи
рассчитаны на сравнительно небольшие выходные
токи и поэтому не требуют применения
высокомощных IGBT. Кроме того,
в ШИМ-инверторе этих преобразователей
необходимо последовательное соединение
нескольких транзисторно-диодных модулей.
Эти особенности новых преобразователей
определили необходимость применения специальных
полупроводниковых ключей средней
мощности, оптимизированных к силовым
схемам ВПЧА. Специально для этих
преобразователей в ОАО «Электровыпрямитель
» были выпущены высоковольтные
IGBT/SFRD-модули на токи от 100 до 400 А
и напряжение 3300 В [6], полностью учитывающие
режимы работы ВПЧА.

Производство
и обеспечение качества

Имеющиеся на предприятии возможности
по компьютерному моделированию и проектированию
IGBT-модулей, а также быстро
перестраиваемое производство этих приборов
позволяют не только выпускать широкую
номенклатуру серийных IGBT, но и оперативно
разрабатывать и изготавливать
нестандартные модули по техническим требованиям
заказчиков. Данные модули производятся
в типовых конструктивных исполнениях,
а также могут быть изготовлены
с любым другим сочетанием параметров,
по разным схемам и конструкциям, отличающимся
от приведенных в информационных
материалах.

Специализированный цех предприятия
по производству IGBT-модулей постоянно пополняется новым технологическим
и испытательным оборудованием. В настоящее время
к введенному ранее в эксплуатацию оборудованию известных зарубежных фирм, таких как
Centrotherm, Orthodyne Electronics,
LEMSYS, в производство внедрены новое оборудование и технологические процессы,
позволившие повысить производительность труда, улучшить воспроизводимость процессов
и прослеживаемость изготовления модулей,
что, в свою очередь, позволило значительно
повысить качество продукции. В технологическую
цепочку введены полуавтоматическая
заливочная установка фирмы Sheugenpf lug
(рис. 2), новые высокопроизводительные печи
вакуумной пайки.

Таблица 1. Технологии и параметры IGBT.модулей, выпускаемых ОАО «Электровыпрямитель»
для различных применений

Технология IGBT 600 В 1200 В
NPT Low Loss NPT Standard NPT Low Loss NPT Ultra Fast Trench Gate SPT
Напряжение насыщения, В 25 °C 1,95 2,5 2,1 3,0 1,7 1,9
125 °C 2,2 3,1 2,4 3,6 2,0 2,1
Оптимальные частоты коммутации, кГц 5–20 4–12 1–8 15–25 1–5 2–20
Технология IGBT 1700 В 2500 В 3300 В 6500 В
NPT Low Loss Trench Gate SPT SPT SPT
Напряжение насыщения, В 25 °C 2,6 2,0 2,5 3,1 4,2
125 °C 3,1 2,4 3,1 3,8 5,4
Оптимальные частоты коммутации, кГц 5–20 1–2 1–2 0,5–1,5 ≤0,5

Рис. 2. Заливка модулей гелеобразным компаундом

Значительным достижением в части решения задач по повышению качества
IGBT-модулей явилось внедрение 100%-ного рентгеновского контроля паяных соединений. Контроль
осуществляется с помощью системы рентгеновского
контроля фирмы Feinfocus (рис. 3).

Рис. 3. Проверка качества пайки модулей на рентгеновской установке

Процесс изготовления IGBT-модулей завершается
испытаниями динамических параметров,
которые проводятся с использованием
современного испытательного комплекса
фирмы LEMSYS (рис. 4), изготовленного
по индивидуальному техническому заданию.
Испытаниям подвергаются 100% производимых
IGBT-модулей. Комплекс позволяет проводить
как измерение динамических параметров,
так и стресс-тесты (например, тест
на устойчивость к воздействию тока короткого
замыкания) с последующей диагностикой
исправности модулей.

Рис. 4. Измерения динамических параметров IGBT-модулей

Техническая поддержка

В ОАО «Электровыпрямитель» постоянно
совершенствуется технологический процесс
и конструкция модулей. Эта работа производится
на основе анализа результатов надежностных
испытаний, в том числе в циклических
режимах, а также опыта эксплуатации
и обратной связи с потребителями.

Специалисты службы технической поддержки
(support-nicpp@saransk-com.ru) оказывают
полноценную помощь по всем вопросам,
связанным с эксплуатацией IGBT-модулей.
В зависимости от требований, предъявляемых
к прибору, и с учетом режима, в котором
он будет эксплуатироваться, наши специалисты
не только помогут рассчитать режим работы
модулей и сделают рекомендации по выбору
типа прибора, но и окажут помощь в поставке
сопутствующих компонентов (драйверов
управления, систем охлаждения, диодных и тиристорных
модулей для входных и выходных
выпрямителей, датчиков температуры и пр.).

Литература

  1. Аксенов В., Бормотов А. и др. IGBT-модули производства ОАО «Электровыпрямитель» // Силовая электроника. 2006. № 2.
  2. Ершков А., Клоков А. и др. Новое семейство преобразователей частоты для низковольтных асинхронных электроприводов производства ОАО «Электровыпрямитель» // Силовая электроника. 2008. № 2.
  3. Клоков А., Юнович В. и др. Энергосберегающие преобразователи частоты для низковольтных асинхронных электроприводов производства ОАО «Электровыпрямитель» // Силовая электроника. 2005. № 2.
  4. Суслов В., Живечков А., Арискин О., Шестоперов Г. Новые разработки статических преобразователей для электровозов переменного и постоянного тока // Компоненты и технологии. 2005. № 3.
  5. Чибиркин В., Минаев Г., Мустафа Г. и др. Преобразователи частоты производства ОАО «Электровыпрямитель» для высоковольтного асинхронного электропривода переменного тока // Силовая электроника. 2005. № 1.
  6. Мартыненко В., Мускатиньев В., Чибиркин В. Новые конструкции IGBT-модулей для высоковольтных применений // HiT: разработки в электронике. 2004. № 4.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *