Обзор силовых модулей SemiPowerex

В настоящее время на рынке присутствует несколько уважаемых производителей силовых модулей, которые за долгое время работы доказали качество и надежность своей продукции (Infineon, Mitsubishi, Hitachi и др.). Тем не менее из-за жесткой ценовой конкуренции разработчики силовой электроники зачастую используют надежную, но менее известную продукцию других производителей. Один из них — корейская компания SemiPowerex.

SemiPowerex была основана в Южной Корее в июле 2014 года. Всего за четыре года существования SemiPowerex смогла не только наладить выпуск традиционных кремниевых силовых модулей (диодов, МОП-транзисторов, IGBT), но и начать производство наиболее перспективных сегодня модулей с силовыми ключами на базе карбида кремния (SiC) и нитрида галлия (GaN).

В статье проводится обзор серийно выпускаемой номенклатуры силовых модулей от SemiPowerex, а также кратко рассказывается о новых и перспективных решениях компании.

Диодные модули от SemiPowerex

Силовые диоды — обязательный элемент практически всех мощных приложений, начиная от приводов электродвигателей и заканчивая мощными преобразователями напряжения в источниках питания. SemiPowerex предлагает широкий выбор одиночных и сдвоенных диодов в различных конфигурациях и корпусных исполнениях (рис. 1, 2).

Рис. 1. Корпусные исполнения силовых диодных модулей от SemiPowerex

Рис. 2. Конфигурация силовых диодных модулей от SemiPowerex

Ключевые характеристики и модельный ряд силовых диодных модулей представлены в таблице 1.

Модули с рабочим напряжением 400 В имеют прямое напряжение 1,14 В и ток до 160 А. Модули с рабочим напряжением 600 В обеспечивают токовую нагрузку до 300 А. Максимальный ток для 1200-В диодов достигает 200 А.

Среди типовых областей применения для силовых диодных модулей от SemiPowerex можно отметить электроприводы двигателей постоянного и переменного тока, зарядные устройства, мощные импульсные источники питания, инверторы, сварочные аппараты и т. д.

IGBT-модули от SemiPowerex

Номенклатура IGBT-модулей от SemiPowerex постоянно расширяется. В настоящее время компания предлагает IGBT, выполненные по технологии NPT и SPT+.

Транзисторы, выпускаемые по технологии NPT (Non Punch Through), имеют высокую стойкость к коротким замыканиям, а также положительный коэффициент напряжения насыщения [1]. Относительным недостатком NPT IGBT является высокое напряжение насыщения и меньшая устойчивость к пробою по сравнению с SPT+.

В отличие от NPT IGBT в структуре транзисторов, выполненных по технологии SPT+, присутствует дополнительный буферный высоколегированный слой, который позволяет обеспечить уменьшение потерь проводимости и потерь на переключения.

Рис. 3. Корпусные исполнения IGBT-модулей от SemiPowerex

Сейчас к услугам разработчиков предлагается около 40 моделей силовых IGBT-модулей:

• с корпусными исполнениями: S1, S3, S4, S7, S6 (совместим с EconoDUAL3), S8 (совместим с EconoDUAL2) (рис. 3);
• со схемными конфигурациями: одиночный транзистор, чоппер, полумост, мост (рис. 4);
• с рабочими напряжениями 600 и 1200 В (табл. 2).

Рис. 4. Конфигурация силовых IGBT-модулей от SemiPowerex

Силовые IGBT-модули с рабочим напряжением 600 В от SemiPowerex выполнены по технологии NPT. Они имеют максимальный ток до 400 А и напряжение насыщения 2,1 В.

IGBT-модули с рабочим напряжением 1200 В производятся как по технологии NPT, так и по технологии SPT+. Как было сказано выше, напряжение насыщения для SPT+ IGBT оказывается ниже (1,9 В), чем у NPT-транзисторов (2,9 В). Максимальный ток у SPT+ также больше — до 600 А. Низкие динамические потери делают SPT+ IGBT более привлекательными для быстродействующих приложений.

Областями применения для IGBT-модулей являются мощные высоковольтные приложения: импульсные источники питания, инверторы, сварочные аппараты и другие решения.

Для мощных низковольтных приложений, как правило, применяются MOSFET-модули.

MOSFET-модули от SemiPowerex

При использовании традиционных кремниевых технологий возникают значительные сложности при создании надежных МОП-транзисторов с рабочими напряжениями более 600 В. По этой причине MOSFET обычно не применяются в высоковольтных приложениях. Однако в низковольтных схемах низкие динамические и статические потери делают МОП-транзисторы более привлекательными по сравнению с IGBT, особенно если речь идет о частотах коммутации свыше 10 кГц.

Рис. 5. Корпусные исполнения IGBT-модулей от SemiPowerex

В настоящий момент SemiPowerex предлагает MOSFET-модули с различными характеристиками:

• с корпусными исполнениями S3, S7, S4A, S8 (совместим с EconoDUAL2) (рис. 5);
• с конфигурациями: одиночный транзистор, полумост, сдвоенный полумост (рис. 6).

Рис. 6. Конфигурация силовых MOSFET-модулей от SemiPowerex

Сейчас номенклатура серийно выпускаемых MOSFET-модулей от SemiPowerex насчитывает около десятка представителей (табл. 3). Наиболее высоковольтные модули SPS400GB2058 способны работать с напряжениями до 200 В. Максимальную токовую нагрузку 720 А обеспечивают полумостовые модули SPS700GB1053.

В ближайшее время предполагается начать выпуск и других MOSFET-модулей:

• SPS300GS10S7 с напряжением 100 В, сопротивлением 1,2 мОм и током до 372 A (при T_c = +80 °C);
• SPS150GE10S4A с напряжением 100 В, сопротивлением 2,2 мОм и током до 179 A (при T_c = +80 °C);
• SPS600GB10S8 с напряжением 100 В, сопротивлением 1 мОм и током до 697 A (при T_c = +80 °C);
• SPS500GB10S8 с напряжением 150 В, сопротивлением 1,4 мОм и током до 531 A (при T_c = +80 °C);
• SPS400GB10S8 с напряжением 200 В, сопротивлением 2,5 мОм и током до 379 A (при T_c= +80 °C);
• SPS600GB10SA с напряжением 100 В, сопротивлением 1 мОм и током до 697 A (при T_c = +80 °C).

Развитие современной силовой электроники напрямую связывают с внедрением новых полупроводниковых материалов, таких как карбид кремния (SiC) и нитрид галлия (GaN). Компания SemiPowerex также осваивает производство SiC- и GaN-модулей.

SiC- и GaN-модули от SemiPowerex

В обозримом будущем кремний (Si) останется основой полупроводниковой электроники. Вместе с тем уже сейчас в целом ряде приложений он вытесняется другими полупроводниковыми материалами, в частности карбидом кремния (SiC) и нитридом галлия (GaN).

SiC превосходит Si по целому ряду параметров. Он отличается повышенной электрической прочностью, великолепной теплопровод­ностью и высокой диэлектрической проницаемостью. Благодаря этому SiC-транзисторы способны надежно работать с высокими напряжениями в широком диапазоне температур. Это приводит к тому, что быстродействующие SiC-MOSFET с минимальными статическими и динамическими потерями становятся отличной альтернативой кремниевым IGBT в автомобильных инверторах, в мощных источниках питания и многих других приложениях.

SemiPowerex не осталась в стороне от современных тенденций и анонсировала выпуск следующих SiC-модулей:

• SPX900GB65S — полумост с рабочим напряжением 650 В и рейтингом тока 900 А;
• SPX300GB120S6 — полумост с рабочим напряжением 1200 В и рейтингом тока 300 А;
• SPX450GB120S6 — полумост с рабочим напряжением 1200 В и рейтингом тока 450 А;
• SPX600GB120S6 — полумост с рабочим напряжением 1200 В и рейтингом тока 600 А;
• SPX60GD65S4A — мост с рабочим напряжением 650 В и рейтингом тока 60 А.

Из-за технологических сложностей рабочее напряжение GaN-транзисторов, как правило, оказывается достаточно низким. Вместе с тем они обеспечивают минимальный уровень динамических потерь. Это сделало GaN-ключи идеальным выбором сначала для ВЧ-приложений, а потом и для низковольтных мощных источников питания.

Недавно компания SemiPowerex сообщила о начале производства следующих GaN-модулей:

• SPG30GD65SM — мост с рабочим напряжением 650 В и рейтингом тока 30 А;
• SPG60GB65S4A, SPG60GB65S4C — мост с рабочим напряжением 650 В и рейтингом тока 60 А;
• SPG60GD65S4A — мост с рабочим напряжением 650 В и рейтингом тока 60 А;
• SPG120GD65S4 — мост с рабочим напряжением 650 В и рейтингом тока 120 А.

Заключение

Всего за четыре года компания SemiPowerex сумела освоить производство широкой номенклатуры традиционных кремниевых силовых модулей: диодных модулей с рабочим напряжением до 1200 В; IGBT-модулей с рабочим напряжением до 1200 В; MOSFET-модулей с рабочим напряжением до 200 В.

SemiPowerex также следует современным тенденциям и начинает выпуск силовых транзисторных SiC- и GaN-модулей.