Силовая ЭКБ: линейка полностью отечественных IGBT-модулей

Введение

Рост популярности электротранспорта и энергоэффективных передающих устройств наблюдается уже несколько лет подряд. Производство электродвигателей, аккумуляторов, зарядных станций растет стремительными темпами, только в одном Китае потребность в электромобилях в 2019 году превысила 500 000 единиц. Количество электробусов в Москве уже больше, чем в любой другой столице Европы. Увеличиваются и требования к энергоэффективности производства.

Данная тенденция привела к росту потребности в силовой электронике и, в частности, в IGBT-модулях. Важность этого направления подчеркнута и на федеральном уровне, технология производства IGBT-модулей относится к технологиям, входящим в «Перечень критических технологий Российской Федерации» (утвержден Указом Президента Российской Федерации от 7 июля 2011 года № 899, пп. № 2, 24, 26: технологии силовой электроники, технологии транспортной техники нового поколения и технологии создания энергосберегающих систем транспортировки, распределения и использования энергии).

На данный момент до 90% российского рынка силовой электроники занято модулями на кристаллах иностранного производства, что приводит к нескольким негативным последствиям:

1. Изменения курса валют резко влияют на стоимость модулей, что приводит к росту себестоимости производства готовых изделий.
2. Возникает угроза потери канала поставки из-за карантинных ограничений, санкций, пошлин и т. д.
3. Закупка кристаллов у разных поставщиков приводит к несовпадению технических параметров, что увеличивает затраты на их испытания.
4. Кристаллы для силовых модулей с напряжением от 3300 В и выше поставляются в Россию с ограничениями.

Кристаллы, рассчитанные на напряжение 2500–6500 В, наиболее востребованы для производства высоковольтных сильноточных IGBT-модулей для силовых агрегатов пассажирских вагонов и тяговых локомотивов, для производства современных энерго­эффективных интеллектуальных энергетических систем. Кроме того, они используются в силовых агрегатах горнодобывающей отрасли и судоходном транспорте.

Основными потребителями IGBT-модулей напряжением 650–1700 В являются предприятия, выпускающие силовые электронные приводы, устройства плавного пуска и частотные преобразователи, применяемые на электротранспорте, электроприводах моторов лифтов и лебедок, насосных станций, в промышленных сварочных аппаратах, инверторах солнечной и ветряной энергетики и другом оборудовании.

Производство полного цикла

АО «Ангстрем» — единственная компания в России, которая выпускает серию собственных кристаллов IGBT и FRD в диапазоне 400–6500 В в рамках одного предприятия. Цикл производства силовых модулей включает разработку топологии и конструкции изделий, изготовление кристаллов, измерения на пластине, сборку в корпусе, тестирование, поставку готовой продукции, техническую поддержку. Наличие собственных производственных линий позволило предприятию усовершенствовать технологию выпуска кристаллов для силовой электроники. Производится оптимизация характеристик биполярных транзисторов с изолированным затвором и быстровосстанавливающихся диодов, что существенно увеличивает количество рабочих циклов, надежность и долговечность изделий. Кроме того, за последние два года АО «Ангстрем» освоило выпуск драйверов управления на собственных микросхемах драйверного ядра (аналог популярных драйверов Power Integration) как для полевых транзисторов, так и для IGBT-модулей, что обеспечивает решения более высокого уровня, нежели просто компонентная база.

Наличие собственной производственной базы позволяет предприятию реализовать стабильные поставки продукции независимо от мировой ситуации, обеспечивать импортозамещение критически важной продукции для индустриально-промышленного комплекса и для страны в целом.

Основные преимущества IGBT-модулей АО «Ангстрем»:

• полностью контролируемое производство, начиная от входного контроля материалов и заканчивая выходными параметрами изделий;
• парная конструкция: при производстве транзистор и диод оптимизируются для данного типа модуля;
• собственные технологии производства кристаллов: IGBT — NPT+, FRD — FRED+;
• полная линейка, способная закрыть потребности клиента 650–6500 В;
• совместимые драйверы собственной разработки для управления модулями до 1700 В;
• корпусирование в металлопластмассовые корпуса с возможностью замены импорта pin-to-pin.

Остановимся на технических деталях и особенностях конструкции модулей от АО «Ангстрем»: что отличает их от существующих на рынке и что может предприятие предложить отрасли?

Технологии производства кристаллов

Технология NPT+

Технология NPT (non-punch through) активно использовалась в конце 1990-х — начале 2000-х, пока не появились новые технологии — Trench и Field Stop Trench. Преимуществами Trench-транзисторов являются их размер и стоимость, что привело к их широкому распространению в бытовой технике. Но при этом одним из недостатков была относительно низкая устойчивость к режимам жесткого переключения и, как следствие, больший процент выхода из строя, чем у NPT-кристаллов.

Поскольку АО «Ангстрем» ориентировано на обеспечение нужд оборонно-промышленного комплекса, при разработке собственного кристалла был внедрен ряд инноваций для повышения стойкости к режимам жесткого переключения и самоограничению тока КЗ.

Это позволило увеличить ресурс работы модулей по количеству энергоциклов, существенно повысив время их эксплуатации и эффективность жизненного цикла (отношение стоимости к времени эксплуатации).

В таблице 1 приведены технические данные, демонстрирующие преимущества технологии NPT+ по сравнению с аналогичными изделиями, изготовленными по NPT (режим измерений: U_КЭ = 600 В, I_K = 150 А, L = 200 мкГн, U_ЗЭ = ±15 В, R_З = 10 Ом).

Рис. 1. Осциллограммы переключения, сравнение с импортными аналогами

Стойкость к короткому замыканию

Среди ключевых параметров работы силовых модулей следует отметить их устойчивость к внешним воздействиям. Один из таких параметров — стойкость к току короткого замыкания. Модули производства АО «Ангстрем» в четыре раза превосходят импортные аналоги по времени стойкости к току КЗ.

На испытаниях IGBT-кристаллы АО «Ангстрем» продемонстрировали высокую устойчивость к перегрузке по току короткого замыкания в течение 40 мкс, в то время как у импортных аналогов она заявлена не более 10 мкс (рис. 2).

Рис. 2. Устойчивость IGBT-модуля АО «Ангстрем» к току короткого замыкания:
а) напряжение коллектор-эмиттер;
б) ток коллектора;
в) напряжение затвор-эмиттер

Из приведенных данных видно, что транзистор имеет шестикратный запас прочности по току перегрузки в течение 40 мкс при V_cе = 800 В, V_ge = ±15 В (для IGBT-модуля 75 А 1200 В).

Устойчивость к току короткого замыкания весьма важна при работе в схемах электропривода. Также весьма высокой оказалась надежность модуля при работе в условиях высоких температур.

Оптимизация параметров транзистора и диода

Важным элементом управления модулем является быстро восстанавливающийся диод (БВД). Не секрет, что многие производители модулей используют компоненты, изготовленные разными компаниями. Это приводит к невозможности гибкой настройки параметров модуля, требует многоступенчатой схемы внесения коррекции в параметры компонентов модуля.

АО «Ангстрем» выпускает транзисторы и диоды, оптимизированные по динамическим параметрам. Параметры диодов определяются радиационно-термической обработкой кристаллов, что позволяет подстраивать их под разные режимы работы изделия. В результате электрические параметры диодов остаются стабильными даже при сильном нагреве, что отмечено многими потребителями.

Результаты испытаний

Для сравнения параметров БВД производства АО «Ангстрем» с импортными аналогами была проведена совместная работа с ОАО «Электровыпрямитель» (г. Саранск) по сборке изделий в корпус, измерению статических и динамических параметров приборов. Также были проведены динамические исследования на кафедре промышленной электроники НИУ МЭИ (г. Москва).

Результаты измерений БВД на 1200 В, 75 А приведены в таблицах 2 и 3, осциллограммы работы диода — на рис. 3 и 4.

Рис. 3. An75FRD12 АО «Ангстрем»

Рис. 4. SIDC56E120D6 Infineon

Результаты измерений БВД на 4500 В, 60 А приведены в таблицах 4 и 5, осциллограммы работы диода показаны на рис. 5.

Рис. 5. An60FRD45 АО «Ангстрем»

Примечание. *Значения параметров взяты из datasheet на изделие.

Примечание. *Значения параметров взяты из datasheet на изделие.

Результаты измерений БВД на 6500 В, 50 А приведены в таблицах 6 и 7, осциллограммы работы диода изображены на рис. 6.

Рис. 6. An50FRD65 АО «Ангстрем»

Примечание. *Значения параметров взяты из datasheet на изделие.

Примечание. *Значения параметров взяты из datasheet на изделие.

Вывод. Диоды АО «Ангстрем» имеют меньшее значение t_RR, Q_RR, E_REC, могут работать в паре с IGBT-транзисторами в инверторах на высоких частотах. По требованию заказчика можно сделать диоды с малым I_RR и лучшей мягкостью обратного восстановления для работы бесснабберных RC-цепей на малых рабочих частотах.

Контроль качества на этапе производства

Для обеспечения долговечности и стабильности работы IGBT-модулей на этапе сборки проводятся следующие операции:

• вакуумная пайка кристаллов на плату и радиатор за один технологический цикл;
• рентгеноскопический анализ качества пайки;
• автоматизированная ультразвуковая разварка кристаллов и контроль качества сварных соединений;
• автоматическая заливка компаунда в подъобъемное пространство модуля;
• контроль внешнего вида открытого и закрытого модуля на каждом технологическом этапе производства.

Контроль параметров и надежности изделий

При производстве модулей проводятся:

• контроль статических и динамических параметров при температуре +25 и +125 °С;
• контроль теплового сопротивления;
• испытания на двойной импульс выключения в предельных режимах;
• контроль напряжения изоляции;
• испытания на надежность и безотказность (HTRB, HTGS, термоциклирование, электротермоциклы) и ток КЗ.

Линейка IGBT-модулей

Разработана серия модулей (рис. 7) гражданского назначения из 19 моделей по четыре типа конфигураций: полумост, ключ верхнего уровня, ключ нижнего уровня, одиночный ключ в наиболее востребованных корпусах 34 и 62 мм. Модули прошли апробацию, поставляются как российским предприятиям, так и на экспорт. На рис. 7 представлена текущая линейка — в корпусах с шириной основания 62, 34, 30 и 20 мм, а в таблицах 8 и 9 приведены все основные изделия и конфигурации модулей, серийно выпускаемые на АО «Ангстрем». Параллельно идет освоение корпуса аналога «Econodual», готовы опытные образцы. Также завершаются опытно-конструкторские работы и испытания по разработке серии модулей специального применения.

Рис. 7. Силовые модули АО «Ангстрем»

Примечание.

xxx — возможность производства несколько конфигураций (HB — полумост, LC — нижний чоппер, RC — верхний чоппер, HBE — общий эммитер).

Полуприжимные модули

Кроме стандартных модулей, предприятие освоило производство полуприжимных модулей, аналогичных модулям производства АBB в диапазоне 2500–4500 В, 1200–2000 А. Данные модули могут использоваться для передачи и конвертации переменного и постоянного тока на электростанциях. На рис. 8 приведен один из вариантов исполнения.

Рис. 8. Полуприжимной модуль AnM2000SSP25M

Модули в герметичных металлокерамических корпусах

Для использования силовой электроники в экстремальных условиях была разработана серия модулей в герметичных металлокерамических корпусах. Линейка модулей специального применения приведена в таблице 10, а общий вид готового изделия — на рис. 9.

Рис. 9. Силовой полупроводниковый модуль 2МЕ103А в герметичном металлокерамическом корпусе.

IGBT-драйвер ДР 8/1700

Двухканальный драйвер ДР 8/1700 (рис. 10) предназначен для управления двумя IGBT-транзисторами малой и средней мощности при минимальном монтажном пространстве. Габариты драйвера всего 45×34,3×16 мм, что является самым компактным решением для промышленных применений в России.

Рис. 10. IGBT-драйвер ДР 8/1700

Драйвер разработан на основе драйверного ядра собственного производства — комплекта микросхем АМ2101 и АМ2114. Использование комплектов драйверов и IGBT-модулей позволяет создавать законченные функциональные блоки и системы управления с оптимальными для заказчика параметрами.

Функциональные возможности драйверного ядра:

• контроль напряжения насыщения на коллекторе управляемого IGBT-транзистора;
• регулировка порога защитного отключения по напряжению насыщения;
• блокировка управления при аварии;
• сигнализация о наличии аварийного режима;
• блокировка одновременного включения верхнего и нижнего плеча полумоста;
• контроль напряжений питания драйвера на входе, а также на выходе DC/DC-преобразователя;
• регулировка времени блокировки управляемого транзистора.

Основные характеристики драйвера ДР 8/1700:

• рабочая температура: Т = +25 °С;
• напряжение питания: (15 ±1) В;
• ток потребления при FIN = 50 кГц: 100 мА;
• максимальная выходная мощность на канал: 1 Вт;
• напряжение затвора: +15/–8 В;
• пиковый выходной ток (ток затвора): –8…+8 А;
• максимальная частота управляющего сигнала FIN: до 50 кГц;
• температурный диапазон: –40…+85 °С.

Заключение

АО «Ангстрем» разрабатывает и производит не только электронные компоненты для силовой электроники, но и функциональные комплекты изделий — кристаллы, транзисторы, модули, драйверы управления. Полный цикл разработки и производства микроэлектронной продукции открывает возможность совершенствовать технологии, расширять модельный ряд под задачи конкретного заказчика, а также успешно конкурировать с импортными аналогами.

В качестве таких заказчиков уже выступили Минпромторг, Министерство обороны РФ, Росатом и ряд других государственных министерств. Накоплен большой опыт разработки, а также широкий спектр уже готовых решений, которые могут стать основой для модификации существующих разработок. Это открывает перспективы развития и создания новых изделий для компаний, работающих в ответственных областях энергетики, промышленности, транспорта, в условиях Арктики и космоса.

В настоящее время активно ведутся работы по направлениям:

• бесшовная технология сборки WCP, которая позволяет увеличить эффективную рабочую площадь DBC-подложек;
• MOSFET-модули с рабочим напряжением 60–1200 В;
• производство кристаллов по технологии Field Stop;
• освоение сборки в корпус, аналогичный Econodual.

Гибкая адаптация параметров продукции к нуждам российских предприятий является важным преимуществом, позволяет добиваться наиболее высоких характеристик конечного изделия. «Ангстрем» может как предоставлять готовые решения, так и проводить совместные разработки новых изделий.