Новое поколение мощных тиристоров и выпрямительных диодов

Введение

Сегодня PCT — основной компонент мощных выпрямителей, источников питания, электроприводов, систем обеспечения качества электроэнергии, гидронасосов, электролизеров водорода, HVDC и многого другого. Управляемые тиристоры — это выбор номер один в устройствах высокой мощности, где требуются высочайшая производительность, надежность и низкие потери проводимости (рис. 1). Современная промышленность нуждается в выпрямительных диодах с низкими потерями проводимости и в менее сложных мощных выпрямителях или источниках питания.

Рис. 1. Полупроводниковые приборы и области применения [1]

Hitachi Energy разработала новую технологическую платформу для PCT и выпрямительных диодов, способную повысить эффективность и являющуюся еще одним шагом к устойчивому развитию. Эта платформа уже используется в первых двух пилотных продуктах — в PCT и выпрямительном диоде (рис. 2).

Рис. 2. Чип 6,5 кВ PCT (слева) и выпрямительного диода (в центре), прибор в капсульном корпусе (справа)

Дизайн полупроводникового прибора

Кремниевая пластина

Разработка промышленных тиристоров и выпрямительных диодов предусматривает повышение максимальной температуры кристаллов, а также предельного значения номинального тока и тока перегрузки. Хотя корпуса новых изделий и продуктов предыдущего поколения не имеют отличий, что упрощает их замену с механической точки зрения, внутренняя конструкция новинок переработана кардинально. Чтобы улучшить номинальные характеристики выпрямителей, были сделаны следующие принципиальные корректировки.

Размер кристалла

Диаметр чипа увеличен по отношению к доступному пространству внутри корпуса. Это позволило расширить активную площадь на 15%.

Максимальная температура кристаллов

Максимальная рабочая температура увеличена на 10 К для обоих типов полупроводников с целью увеличения выходной мощности. Чтобы выдержать нагрузки при повышенных температурах (например, более высокий ток утечки в заблокированном состоянии), потребовались серьезные изменения в технологии кремниевой пластины. Во-первых, форма краевых областей изменена на положительно-отрицательно скошенную. Кроме того, для покрытия верхней контактной части чипа использована новейшая технология пассивации аморфным гидрогенизированным углеродом (также известным как DLC). Сочетание этой конструкции краевых зон и пассивирующего слоя улучшает блокирующую способность чипов и обеспечивает высокую надежность при повышенной температуре. Введение положительно скошенной краевой области уменьшает глубину анодного перехода (рис. 3), что позволяет снизить толщину кремния и улучшить характеристики проводимости.

Рис. 3. Профиль легирования анода РСТ (слева) и выпрямительного диода (справа)

Низкотемпературная сварка

Технология низкотемпературной (холодной) сварки кремниевого кристалла с молибденовой прокладкой со стороны анода, использованная в тиристорах и выпрямительных диодах новой платформы, дает множество преимуществ.

Кремниевая пластина охлаждается до самых краев. Помимо адаптации и модификации чипов, это дополнительно помогает выдерживать повышенные тепловые нагрузки. Кроме того, такая технология соединения устраняет сухую границу раздела между молибденовой и кремниевой пластинами, что приводит к снижению теплового сопротивления между обеими частями. В результате улучшается охлаждение кремниевого чипа, что способствует снижению теплового сопротивления между кристаллом и корпусом.

Корпусирование

Внедрение новой технологии кремниево-молибденового соединения для РСТ и выпрямительных диодов дополнительно улучшает конструкцию. На рис. 4 показаны особенности технологии FF (free-floating), использованной в существующем поколении PCT и выпрямительных диодов, отличающихся симметричным дизайном корпуса. Размеры соседних молибденовых дисков и медных полюсных наконечников идентичны для выводов анода и катода.

Рис. 4. Поперечное сечение N-корпуса с технологией FF (слева) и технологией сварки (справа)

Новая конструкция, в которой использована технология холодной сварки, заметно отличается. Как упоминалось выше, диаметр анодного полюсного наконечника увеличен пропорционально диаметру кристалла, в то время как катодный терминал адаптирован для соответствия активной области катодной стороны чипа. Благодаря соединению со стороны анода, толщина катодной молибденовой пластины уменьшена, а ее материал заменен на медь. Таким образом удалось дополнительно улучшить тепловое и электрическое сопротивление за счет более высокой электро- и теплопроводности меди. При этом у асимметричной конструкции тепловые сопротивления анода и катода не равны.

Нагрузочная способность в непрерывном режиме

Два новых продукта предлагаются во втором типе конструктива, обеспечивающем повышенную нагрузочную способность в непрерывном режиме (I_RSMC). В основе так называемого X-корпуса (рис. 5) лежит новый N-корпус для элементов, соединенных холодной сваркой (рис. 4 справа). Он дополнительно оснащен стальным фланцем (желтый), кольцом на основе полимера (синий) и зажатым между ними силиконовым уплотнительным кольцом (черный).

Рис. 5. Поперечное сечение Х-корпуса, обеспечивающего улучшение показателя I_RSMC

Кроме того, в новом конструктиве уменьшен анодный полюсный наконечник, а размеры керамики увеличены до диаметра катодного фланца, чтобы обеспечить достаточное пространство для стального фланца и полимерного кольца.

Более тонкий анодный полюсный наконечник усиливает дисбаланс теплового сопротивления, но при этом обеспечивает значительное улучшение этого параметра по сравнению с референтными данными, как показано в таблице 1. Корпус второго типа позволяет достичь тока I_RSMC — 95 кА при синусоидальном одиночном импульсе 10 мс. Величина I_RSMC оценивается на основе стандарта IEC 60747-6. Новые приборы были механически повреждены на концевых зонах перед проведением этого теста. В ходе испытаний высокоскоростная камера использовалась для отслеживания уровня тока, при котором нарушается герметичность корпуса и происходит утечка плазмы. На рис. 6 показаны результаты проверки тока I_RSMC. Конструктив разработан таким образом, чтобы плазма выходила из катодного фланца при превышении предела I_RSMC — это гарантирует, что керамика останется неповрежденной.

Рис. 6. Проверка I_RSMC — изображение с высокоскоростной камеры и сценарий отказа при превышении предельного значения

Основные характеристики

Технологическая кривая

Соотношение между падением напряжения в открытом состоянии и зарядом обратного восстановления Q_RR у приборов нового поколения по сравнению с предыдущей генерацией и конкурирующими выпрямителями показано на рис. 7. Статические потери при постоянном значении Q_RR у PCT снижены на 3%. Это увеличивает плотность тока до 62,3 А/см² (+11%) в сочетании с уменьшенным тепловым сопротивлением и повышенной температурой кристалла. Аналогичная ситуация и с диодом: статические потери уменьшены на 3%, а плотность тока увеличена до 79,7 А/см² (+8%). Таким образом, достигнуто значительное улучшение по номинальному прямому току.

Рис. 7. Заряд обратного восстановления Q_RR в зависимости от падения напряжения на открытом PCT (слева) и выпрямительном диоде (справа) по сравнению с предыдущим поколением и конкурирующими приборами. Заряд Q_RR измеряется при V_R = 200 В для PCT и выпрямительного диода

Ток перегрузки

Технология сварки является одним из ключевых факторов, позволяющих выдерживать более высокую температуру кристалла и исключить «тепловое убегание» в заблокированном состоянии. В то же время применение этой технологии позволяет значительно улучшить перегрузочные характеристики. Способность выдерживать ток перегрузки (PCT: I_TSM, выпрямительный диод: I_FSM) тщательно оценивалась в процессе разработки. Результаты, полученные для выпрямительного диода, представлены на рис. 8, на котором показано последнее пиковое значение тока при испытаниях на повреждающую перегрузку. Последний импульс тока перегрузки нового выпрямительного диода составляет около 145 кА при синусоидальном одиночном импульсе 10 мс. Это эквивалентно увеличению показателя I_FSM по сравнению с предыдущим поколением почти на 60 % и превышает перегрузочную способность более крупного прибора конкурента «A» при меньшем падении напряжения во включенном состоянии. Повышенная перегрузочная способность обусловлена новым дизайном чипа и технологией сварки.

Рис. 8. Результаты тестирования тока перегрузки выпрямительного диода (5SDD 57N6500) по сравнению с предыдущим поколением (5SDD 50N5500) и пятью конкурирующими приборами

Номинальные характеристики

Номинальные значения тока полупроводниковых приборов в основном зависят от прямого падения напряжения, теплового сопротивления и максимальной рабочей температуры. Как отмечено в предыдущих разделах, все указанные аспекты были улучшены, что привело к повышению ключевых параметров приборов. Номинальный ток увеличился в диапазоне 25–35 %, а ток перегрузки — на 12–15%. Основные характеристики новых продуктов в сравнении с предыдущим поколением приведены в таблице 2.

Примечание. *Предварительные значения в спецификации.

Заключение

В статье представлены ключевые параметры и особенности двух первых продуктов новой платформы Hitachi Energy, включающей мощные тиристоры и выпрямительные диоды. Повышение номинального тока на 30% достигнуто за счет сохранения типоразмера устройства, что позволяет этим приборам конкурировать с выпрямителями в более крупных корпусах и перевести их энергоэффективность на новый уровень. Применение выпрямителей последнего поколения в различных системах обеспечит большую выгоду за счет повышения мощности и экономичности.