Параметры и особенности современных силовых IGBT- и FRED-модулей корпорации Microsemi

Microsemi Corporation (Калифорния, США) была основана в 1960 г. и на протяжении всех этих лет демонстрировала устойчивый рост бизнеса. За последние годы были приобретены и успешно интегрированы в состав корпорации несколько сторонних компаний и подразделений:

• Zarlink Semiconductor (Оттава, Канада) — один из крупнейших мировых производителей микросхем для телекоммуникаций, оптоэлектроники, GPS-приемников.
• ASIC Advantage (Саннивэйл, Калифорния, США) — производитель систем управления питанием, драйверов светодиодов, драйверов двигателей, радиационно-стойких продуктов, медицинских и потребительских приложений.
• Arxan Defense Systems (Бетезда, Мэриленд, США) — производитель программного обеспечения и различных кодов для военных систем, систем безопасности компаний и промышленных предприятий.
• Brijot Imaging System (Лейл Мэри, Флорида, США) — глобальный производитель сканеров для обнаружения скрытых объектов под одеждой, контрабанды, оружия в аэропортах, военных и государственных учреждениях, а также для использования в правоохранительных органах.
• AML Communication (Берлингтон, Онтарио, Канада) — разработчик и производитель мирового класса широкого спектра СВЧ-усилителей и подсистем военного назначения.
• ACTEL Corporation (Сан-Хосе, Калифорния, США) — ведущий мировой производитель FPGA (ПЛИС со встроенными ППЗУ), в том числе радиационно-стойких, для военной, аэрокосмической отраслей и промышленности.
• White Electronic Designs Corporation (Феникс, Аризона, США) — компания разрабатывает и производит инновационные продукты для военного, промышленного и коммерческого рынков: корпуса для полупроводниковых устройств, устройства памяти высокой плотности, изделия микроэлектроники, модули систем передачи данных для телекоммуникационных, оборонных и аэрокосмических отраслей, ЖК-дисплеи высокой четкости для самолетов и артиллерийских систем, а также ряд других продуктов.
• Nexsem (графство Оранж, Калифорния, США) — дизайнерская фирма по разработке и маркетингу полупроводниковых приборов, в том числе устройств постоянного тока высокого напряжения.
• Оборонное бизнес-подразделение компании Endward Corporation (Нью-Йорк).
• Бизнес-подразделение силовых продуктов космического назначения компании Spectrum Microwave, Inc. (Филадельфия, Пенсильвания, США).
• PowerDsine (Алисо Вьехо, Калифорния, США) — разработчик и производитель систем питания через Ethernet (PoE).
• Advanced Power Technology (Беудли, Ворчестершир, Англия) — разработчик и производитель силовых полупроводниковых приборов высокой надежности и производительности для преобразования электрической энергии, систем управления и инверторов питания (мощные MOSFET, IGBT, диоды и модули).

Корпорация сделала и ряд других приобретений [1]. В настоящее время Microsemi является одним из крупнейших производителей аналоговых, аналого-цифровых микросхем и дискретных компонентов высокой надежности (Hi-Rel) для тяжелых условий эксплуатации в военной, аэрокосмической отраслях, промышленности и на транспорте. Корпорация располагает собственными производственными мощностями в Калифорнии, Аризоне, Массачусетсе, Орегоне, а также в Ирландии и Шанхае. Microsemi являтся лидером в области производства и комплексных поставок компонентов для бортовой электроники сложных систем специального назначения. В компании работают около 3000 сотрудников, годовой доход $836 млн, президент и генеральный директор Джеймс Дж. Петерсон (по данным на 2011 г.).

В настоящее время корпорация предлагает полный спектр полупроводниковых решений для аэрокосмической и военной отраслей, систем безопасности, промышленности, телекоммуникаций и медицинских приложений, а также для альтернативной энергетики. В состав продукции Microsemi входят устройства высокой надежности (Hi-Rel) и производительности, микросхемы для обработки аналоговых, смешанных и ВЧ-сигналов, настраиваемые системы на кристалле, FPGA, укомплектованные подсистемы, устройства для управления питанием, ASIC и другие продукты.

На рис. 1 и 2 показана структура продукции, предназначенной для применения в аэрокосмической отрасли, а также продукции промышленного и медицинского назначения и основные их потребители (по данным на II квартал 2012 г.).

Рис. 1. Структура продукции для аэрокосмической отрасли

Рис. 2. Структура продукции промышленного и медицинского назначения

Силовые продукты корпорации разрабатывает подразделение Microsemi Power Products Group-Modules (Брюгге, Бельгия). Устройства питания компании представлены в следующих категориях: системы управления питанием (Power Management), силовые модули; продукты для солнечных батарей и альтернативных источников энергии. В каталог компании 2012 г. включены следующие силовые модули (в скобках указано количество типов изделий):

• диодные модули (642);
• интеллектуальные модули (6);
• MOSFET-модули (271);
• тиристорные модули (54);
• IGBT-модули (410);
• комбинированные IGBT/MOSFET-модули (20);
• модули на основе карбида кремния (92) [2].

В состав диодных модулей компании входят приборы на диодах с быстрым восстановлением обратного сопротивления (FRED), диодах Шоттки и выпрямительных диодах. В каталоге фирмы 2012 г. представлены 193 типа модулей с диодами FRED на обратные напряжения 50–700 В, 292 типа модулей на диодах Шоттки с обратным напряжением 10–200 В и 157 типов модулей на выпрямительных диодах с обратным напряжением 200–1800 В. Рассмотрим особенности некоторых FRED-модулей фирмы.

APTxxDFxxHJ, APTxxDLxxHJ

Приборы этих серий представляют собой мостовые выпрямители, выполненные в корпусах SOT-227 (ISOTOP, размеры 38×25,2×11,8 мм), их внешний вид и структура показаны на рис. 3. Приборы предназначены для применения в мощных импульсных источниках питания, системах индукционного нагрева, сварочных аппаратах, быстродействующих выпрямителях. Особенности модулей:

• сверхмалое время восстановления обратного сопротивления;
• мягкий характер восстановления характеристик;
• высокое напряжение блокировки;
• большие рабочие токи;
• малые токи утечки;
• очень малая индуктивность рассеяния (Very low stray inductance);
• высокий уровень интеграции.

Рис. 3. Модули в корпусах SOT-227

Производитель заявляет следующие преимущества модулей данных серий: высокая производительность на высоких частотах; малые потери; низкий уровень шумов коммутации; возможность непосредственной установки на радиатор (изолированный корпус); низкое тепловое сопротивление «кристалл–корпус».

В состав серий входят модули с выходным током 30 А (АРТ30DF/DLxxxHJ), 50 А (APT50DLxxxHJ), 60 А (APT60DFxxxHJ), 75 А (APT75DF/DLxxxHJ), 100 А (APT100DF/DLxxxHJ) и максимальным обратным напряжением 600 В (APTxxDF/DL60HJ), 1200 В (APTxxDF/DL120HJ), 1700 В (APTxxDF170HJ). В качестве примера приведем параметры модуля APT100DL60HJ:

• максимальный средний прямой ток (Maximum Average Forward Current) 100 А при коэффициенте заполнения 50% и температуре корпуса +80 °С;
• прямое напряжение 1,5 В при I_пр = 100 А и температуре кристаллов +150 °С;
• максимальный обратный ток утечки не более 0,5 мА при T_j = +150 °C;
• время восстановления обратного сопротивления t_rr = 180 нc при I_пр = 100 А, di/dt = 2000 А/мкс, T_j = +150 °C;
• энергия восстановления E_rr = 2,4 мДж при тех же условиях;
• тепловое сопротивление «кристалл–корпус» R_thJC = 0,77 °С/Вт.

APTDF30/60/100H601/1201G

Приборы указанных серий также являются мостовыми выпрямителями (рис. 4). Они выполнены в корпусах SP1 размерами 51×40,8×11,5 мм и предназначены для применения в бесперебойных источниках питания, индукционных печах, сварочных аппаратах, быстродействующих выпрямителях. В состав серий входят модули с прямым током 30 А (APTDF30HxxxG), 60 А (APTDF60HxxxG), 100 А (APTDF100HxxxG) и максимальным обратным напряжением 600 В (APTDFxx601G) и 1200 В (APTDFxx1201G). Эти изделия имеют те же особенности и преимущества, что и модули, рассмотренные выше. Приведем параметры APTDF100H1201G:

• максимальный средний прямой ток 100 А при коэффициенте заполнения 50% и температуре корпуса +60 °С;
• прямое напряжение 2,4 В при I_пр = 100 А и температуре кристаллов +125 °С;
• время восстановления обратного сопротивления t_rr = 480 нс при I_пр р = 100 А, di/dt = 200 А/мкс, T_j = +125 °C;
• тепловое сопротивление R_thJC не более 0,55 °С/Вт.

Рис. 4. Модули в корпусах SP1

Модули APTDF100H20/100/170G — мостовые выпрямители на прямой ток 100 А и максимальное обратное напряжение 200 В, 1000 В, 1700 В. Они выполнены в корпусе SP6 размерами 93×40×21,2 мм, структура и внешний вид приведены на рис. 5. Области применения и преимущества те же, что и у модулей, рассмотренных выше. Параметры APTDF100H170G (U_обр = 1700 В):

• прямой ток RMS 125 А, максимальный средний прямой ток 100 А при Т = +55 °С;
• прямое напряжение 2,1 В при I_пр = 100 А и температуре кристаллов +125 °С;
• t_rr = 704 нс (Т_j = +125 °C), R_thJC, не более 0,35 °С/Вт.

Рис. 5. Модули в корпусах SP6

APTDF200xxx

Представители этих серий — мостовые выпрямители на прямой ток 200 А и максимальные обратные напряжения 200, 600, 1000, 1200, 1700 В, выполненные в корпусах SP6 размерами 108×62×17 мм, крепление силовых шин осуществляется винтами М5 (рис. 6). Области их применения и преимущества те же, что и у рассмотренных выше модулей. Для примера укажем параметры одного из приборов серии APTDF200H60G (U_обр = 600 В):

• прямой ток RMS 270 А, максимальный средний прямой ток 200 А при температуре корпуса +80 °С;
• прямое напряжение 1,3 В при I_пр = 200 А и Т_j = +125 °C;
• t_rr = 220 нс (T_j = 125 °C), R_thJC не более 0,285 °С/Вт.

Рис. 6. Модули в больших корпусах SP6

APTDF400AA/AK/KKxxxG

В указанные серии входят сборки из двух последовательно соединенных FRED с выводом от точки соединения, две сборки образуют мощный выпрямительный мост (рис. 7). Приборы выполнены в корпусах SP6 размерами 108×62×17 мм. Серия включает модули на прямой ток 400 А и напряжения 200, 600, 1000, 1200, 1700 В. Приведем параметры APTDF400KK100G (U_обр = 1000 В):

• прямой ток RMS 500 А, максимальный средний прямой ток 400 А при Т_корп = +70 °С;
• прямое напряжение 1,7 В при температуре кристаллов +125 °С;
• t_rr = 340 нс (T_j = +125 °C), R_thJC не более 0,14 °С/Вт.

Рис. 7. Модули серии APTDF400AA/AK/KKxxxG

APTDF400/430/450/500UxxxG

Данные серии представлены приборами в корпусах LP4 размерами 80×66×23 мм; в модули интегрирован один быстрый диод (рис. 8). Рекомендованные производителем области применения модулей: в качестве антипараллельных диодов импульсных источников питания и инверторов, а также снабберных диодов; в источниках гарантированного бесперебойного питания; системах индукционного нагрева; сварочном оборудовании, быстродействующих выпрямителях; электротранспортных средствах (Electric vehicles).

Рис. 8. Модули в корпусах LP4

Особенности и преимущества те же, что и у описанных выше приборов. В состав серии входят следующие модули:

• APTDF400U120G — U_обр = 1200 В, I_пр = 400 А;
• APTDF430U100G — U_обр = 1000 В, I_пр = 430 А;
• APTDF450U60G — U_обр = 600 В, I_пр = 450 А;
• APTDF500U40G — U_обр = 400 В, I_пр = 500 А.

Параметры действительны при температуре корпуса +80 °С, t_rr модулей не превышает 170–300 нс при температуре кристаллов +100 °С, тепловое сопротивление R_thJC = 0,08 °С/Вт.

В 2010 г. фирма приступила к выпуску ряда серий модулей для тяжелых условий эксплуатации, состоящих из двух различным образом соединенных FRED (рис. 9):

• UFT70-UFT72 на прямой ток 70 А и обратные напряжения 100–800 В;
• UFT125-UFT127 на прямой ток 120 А и обратные напряжения 50–800 В;
• UFT140-UFT142 на прямой ток 140 А и обратные напряжения 100–800 В;
• UFT200-UFT202, UFT210-UFT212 на прямой ток 200 А и обратные напряжения 100–800 В;
• UFT40010-UFT40020 на прямой ток 400 А и обратные напряжения 100–200 В.

Рис. 9. Структуры модулей UFTxxx

Модули перечисленных серий выпускаются в различных корпусах. Время восстановления обратного сопротивления находится в пределах 40–120 нс, тепловое сопротивление 0,12–1 °С/Вт, рабочий диапазон температур кристаллов –55…+175 °С.

В 2011 г. компания представила несколько новых FRED для тяжелых условий эксплуатации серий HU100-HU102, HU20260-HU20280. Модули HU100-H101 выпускаются на прямой ток 100 А и обратные напряжения 50–800 В; HU20260-HU20280 — на прямой ток 200 А и обратные напряжения 600–800 В. Приборы, состоящие из единичных FRED, выпускаются в малогабаритных корпусах размерами 39×19×14 мм, отличаются повышенной допустимой температурой кристаллов +175 °С и широким диапазоном рабочих температур кристаллов –55…+175 °С. Основные параметры приборов: t_rr 50–90 нс (HU100-HU102) и 130 нс (HU20260-HU20280); тепловое сопротивление кристалл/корпус 0,24–0,5 °С/Вт. Модули допускают значительные импульсные токи — до 1500 А при длительности импульсов 300 мкс (HU100-HU102) и до 2100 А (HU20260-HU20280).

Инверторы серий APTGххх

Корпорация выпускает чрезвычайно широкую номенклатуру силовых IGBT-модулей. Особенно много новых приборов было разработано в посткризисном 2009 г. Рассмотрим особенности модулей, техническая документация на которые была выпущена или отредактирована в 2009–2011 гг. Их классификационные параметры приведены в таблице, в которую включены все модули разработки 2010–2011 гг. и мощные (с прямым током 100 А и более) модули 2009 г.

Рассмотрим особенности и области применения некоторых модулей, разработанных в 2011 г., более подробно.

APTGT200A602G

Данный прибор представляет собой фазный инвертор (Phase Leg) для применения в сварочном оборудовании, импульсных источниках питания, бесперебойных источниках питания, драйверах мощных двигателей. Технология Fast Trench+Field Stop IGBT3 дает существенное улучшение характеристик благодаря оптимизации основных элементов вертикальной структуры чипа: базы n^—, слоя n-Field Stop, предназначенного для повышения напряжения пробоя, и эмиттера. В результате снижается суммарное значение потерь в широком диапазоне частот, обеспечивается более плавный характер переключения, а чипы занимают меньшую площадь, что позволяет использовать меньше кремния и тем самым снизить себестоимость продукции. Особенности и преимущества модуля:

• низкое падение напряжение открытых IGBT;
• малый следовой ток (Low tail current);
• частоты переключения до 20 кГц;
• антипараллельные диоды с мягким восстановлением;
• низкое падение напряжения на открытых диодах;
• малый ток утечки;
• кельвин-эмиттеры для облегчения управления;
• очень малая индуктивность рассеяния;
• высокая степень интеграции;
• выдающаяся производительность на высоких частотах переключения;
• высокая температурная стабильность (Stable temperature behavior);
• высокая прочность (very rugged);
• непосредственный монтаж на теплоотвод (изолированный корпус);
• малое тепловое сопротивление «кристалл–корпус»;
• легкость параллельного соединения модулей для уменьшения U_sat.

Основные параметры антипараллельных диодов:

• прямое напряжение 1,5 В при I_пр = 200 А и Т = +150 °С;
• время восстановления обратного сопротивления 225 нс при Т = +150 °С, di/dt = 2200 А/мкс, I_пр = 200 А;
• энергия восстановления 4,7 мДж при Т = +150 °С;
• тепловое сопротивление 0,4 °С/Вт.

APTGT50H60RT3G

Основная область применения — инверторы солнечных батарей. Помимо указанных выше, модуль обладает такими дополнительными преимуществами, как:

• нормированные характеристики RBSOA, SCSOA;
• встроенный терморезистор для контроля температуры;
• возможность пайки силовых и сигнальных выводов;
• низкий профиль (толщина модуля 12 мм без выводов).

Основные параметры антипараллельных и выпрямительных диодов:

• прямое напряжение (CR1–CR4) 1,5 В при I_пр = 50 А, Т = +150 °С;
• время восстановления обратного напряжения 150 нс при I_пр = 50 А, Т = +150 °С;
• энергия восстановления 1,2 мДж при Т = +150 °С;
• тепловое сопротивление 1,42 °С/Вт;
• максимальный средний прямой ток выпрямительных диодов CR5–CR8 — 40 А при Т_корп = +80 °С и коэффициенте заполнения 50%;
• прямое напряжение не более 1,5 В при I_пр = 30 А, T_j = +125 °С;
• параметры терморезистора 50 кОм±5% (Т = +25 °С), В_25/85 = 3952, ΔВ/В — 4%.

APTG100TL170G

Этот трехуровневый инвертор предназначен для применения в солнечных батареях и бесперебойных источниках питания. Он обладает теми же особенностями и преимуществами, что и описанные выше модули. Основные параметры IGBT и антипараллельных диодов (кроме приведенных в таблице):

• входная емкость IGBT 9 нФ;
• прямой ток диодов (CR1–CR4) 100 А при Т_корп = 80 °С, (CR5, CR6) — 150 А;
• прямое напряжение диодов 1,9 В при T_j = +125 °C;
• время восстановления обратного сопротивления 490 нс при T_j = +125 °C;
• энергия восстановления 24 мДж при T_j = +125 °C;
• тепловое сопротивление «кристалл–корпус» (CR1–CR4) — 0,39 °С/Вт; (CR5, CR6) — 0,26 °C/Вт.

APTGT300A170D3G

Данный мощный фазный инвертор выпущен спецаильно для высоковольтных приложений, силовые выводы фиксируются винтами М6. Особенности и преимущества прибора те же, что и у прочих модулей. Основные параметры (помимо приведенных в таблице):

• входная емкость IGBT 27 нФ;
• прямой ток антипараллельных диодов 300 А при Т_корп = +80 °С;
• время восстановления обратного сопротивления 490 нс при T_j = +125 °C;
• прямое напряжение диодов 1,9 В при T_j = +125 °C;
• энергия восстановления 70 мДж при T_j = +125 °C;
• тепловое сопротивление 0,13 °С/Вт.

Литература

1. http://www.microsemi.com/en/company/acquisitions
2. http://www.microsemi.com/en/products/product-directory-list/10204