Современные электронные компоненты фирмы Vishay. Силовые IGBT- и MOSFET-модули

23 февраля 2012 г. исполняется 50 лет со дня основания компании Vishay Intertechnology, Inc. (Малверн, Пенсильвания, США, рис. 1). Основатель компании доктор Феликс Зандман (Felix Zandman, 1927–2011 гг., родился в г. Гродно, рис. 2) занимал должность генерального директора компании до 2004 г. Он опубликовал множество научных работ, на его счету более 70 патентов и ряд высоких наград, в том числе орден Почетного легиона Франции [1].

Рис. 1. Штаб-квартира Vishay

Рис. 2. Основатель компании Vishay Феликс Зандман

Деятельность компании началась с разработки и производства тензодатчиков и резисторов различных типов, и к началу 80-х гг. Vishay достигла уровня ведущих производителей этих компонентов. Однако резерв для развития компании только за счет них был практически исчерпан, и начиная с 1983 г. фирма приступила к приобретению ведущих производителей различных электронных компонентов (или их подразделений), среди которых такие известные бренды, как Dale, Sprague, Siliconix, Telefunken, General Semiconductor и др. При этом названия приобретенных брендов не изменялись [2]. Такая политика позволила компании значительно расширить номенклатуру выпускаемых изделий, в том числе и для приложений силовой электроники.

Электронные компоненты Vishay используются практически во всех типах электронных устройств и оборудования, в промышленности, военной, аэрокосмической технике, телекоммуникациях, медицинских приборах, в автомобильном оборудовании, компьютерах и потребительской электронике. Фирма располагает производственными мощностями в Китае, ряде азиатских стран, Европе, Северной и Южной Америке, в Израиле, а также офисами продаж по всему миру. Продукты компании выпускаются под восемнадцатью торговыми марками, названия которых всегда начинаются с Vishay — Vishay Dale, Vishay Semiconductors, Vishay Siliconix и т. д.

К настоящему времени в штате компании более 25 000 сотрудников, ее рыночная стоимость оценивается в $2,2 млрд, генеральный директор Марк Зандман (Mark Zandman, Executive Chairman and Chief Business Development Officer).

В каталоге Vishay 2012 г. представлены продукты в следующих категориях:

• диоды — более 2500 типов;
• микросхемы — аналоговые коммутаторы и мультиплексоры, высоконадежные коммутаторы, микросхемы для источников питания (всего более 240 типов);
• модули — мосты, диоды, IGBT, MOSFET, тиристоры (около 200 типов);
• MOSFET общего назначения, высокой надежности, автомобильные, высокой надежности для военной техники, для медицинского оборудования (всего более 1200 типов);
• оптоэлектронные приборы — оптроны, изоляторы, ИФ-приемники, фотодетекторы, светодиоды, реле, трансиверы, датчики, ЖК, плазменные и светодиодные дисплеи, 7-сегментные индикаторы (более 1200 типов);
• тиристоры — 124 типа;
• конденсаторы электролитические алюминиевые, керамические, пленочные, для силовой электроники, танталовые (около 1000 типов);
• индуктивности — дроссели и трансформаторы (180 типов);
• резисторы — более 550 типов;
• датчики угловых и линейных перемещений, бесконтактные, температурные и влажности (125 типов);
• другие компоненты — чип-антенны, соединители, резонаторы, предохранители, генераторы, тонкопленочные светодиоды [3].

Компания выпускает широкую номенклатуру компонентов для силовой электроники, на рис. 3 показаны устройства для применения в силовых агрегатах ветрогенераторов, интеллектуальных энергосистемах и других промышленных приложениях. Предлагаются электролитические конденсаторы с выводами для монтажа в отверстия и с винтовыми терминалами; тиристорные и IGBT-модули; высоковольтные дисковые конденсаторы; чопперные и разрядные резисторы; закорачивающие резисторы; мощные конденсаторы. Компоненты отличаются высокой надежностью, длительным сроком службы, высокой плотностью мощности, соответствуют общепринятым нормам безопасности, могут выполняться по индивидуальным заказам.

Рис. 3. Компоненты для силовой электроники

Силовые компоненты для инверторов солнечных батарей показаны на рис. 4, для этих приложений предлагаются электролитические конденсаторы для монтажа в отверстия; пленочные конденсаторы для снабберов, буферов, схем подавления электромагнитных излучений; мощные шунтирующие диоды Шоттки; оптроны и полупроводниковые реле; инверторные модули.

Рис. 4. Компоненты для солнечных электрогенераторов

Электронные компоненты для гибридных и электромобилей показаны на рис. 5, в их число входят: выпрямители на диодах Шоттки TMBS; драйверы для IGBT/MOSFET-модулей; MOSFET и модули PowerPAK; IGBT/MOSFET-модули; модули пленочных конденсаторов; шунтирующие резисторы Power Metal Strip; мощные индукторы IHLP. Все компоненты отличаются высоким быстродействием, отличными тепловыми характеристиками, могут выполняться с учетом требований заказчиков.

Рис. 5. Компоненты для автомобильного оборудования

Компания выпускает также электронные компоненты для интеллектуальных энергетических систем и счетчиков электроэнергии с дистанционным съемом данных. Рассмотрим особенности силовых IGBT- и MOSFET-модулей фирмы из каталога 2012 г. [4, 5]. В состав этой категории изделий входят 45 типов модулей IGBT и пять типов модулей MOSFET.

IGBT-модули

Классификационные параметры IGBT-модулей [4] с допустимым током коллектора более 130 А приведены в таблице 1, максимальные токи коллекторов I_к модулей допустимы при температурах корпусов, приведенных в графе T_c. Внешний вид модулей в корпусе INT-A-PAK показан на рис. 6, в корпусе SOT227 — на рис. 7, в корпусе DIAL LOW PROFILE — на рис. 8.

Рис. 6. Внешний вид корпуса INT-A-PAK

Рис. 7. Внешний вид корпуса SOT227

Рис. 8. Внешний вид корпуса DIAL LOW PROFILE

GA200HS60S1PbF (Datasheet 2010 г.) — полумост, выполненный на IGBT 4-го поколения в бессвинцовом исполнении (рис. 9). Особенности и преимущества прибора (Feature/Benefits):

• параметры модуля оптимизированы для работы в режиме жесткого переключения с частотами от постоянного тока до 1 кГц;
• очень малые потери проводимости;
• стандартный промышленный корпус;
• сертификация безопасности по стандартам UL (Underwriters Laboratory), approved file E78996;
• удовлетворяет требованиям директивы RoHS 2002/95/EC;
• пригоден для применения в промышленности;
• увеличенная эксплуатационная эффективность;
• непосредственный монтаж на теплоотвод;
• параметры оптимизированы для работы в инверторах TIG сварочных аппаратов (TIG Welding — сварка ВИА, сварка вольфрамовым электродом в среде инертного газа).

Рис. 9. Структура модуля GA200HS60SPbF

Модуль имеет большой запас по току коллектора I_c, зависимость максимального тока коллектора от температуры корпуса модуля приведена на рис. 10. Видно, что при температуре корпуса +80 °С (что вполне достижимо) модуль обеспечивает I_c ≈ 330 А (при Т_с = +25 °С нормированное значение I_c = 480 А). Зависимость энергии потерь включения/выключения модуля (E_on/E_off) с антипараллельными диодами типа 30EPH06 от тока коллектора приведена на рис. 11 (при Т_j = +125 °C, V_ces = 480 В, V_ge = 15 В, R_g = 10 Ом). На рис. 12 показаны зависимости напряжения V_ces модуля от тока коллектора I_c при температурах кристаллов +25 и +125 °С (при длительности импульсов 0,5 мс). Другие параметры модуля (кроме приведенных в таблице 1):

• максимальная мощность рассеяния при Т_с = +85 °С — 430 Вт;
• общий заряд затвора IGBT — 1600 нК (при I_c = 200 А, V_cc = 400 В; U_ge = 15 В);
• общие потери переключения при Т_j = +125 °C — 138 мДж (антипараллельный диод 30EPH06, I_c = 200 А, V_cc = 480 В, U_ge = 15 В, R_g = 10 Ом);
• входная емкость — 32 500 пФ, выходная емкость — 2080 пФ, обратная проходная емкость (Reverse transfer capacitance) — 380 пФ;
• диапазон рабочих температур кристаллов –40…+150 °С;
• тепловые сопротивления: кристалл/корпус R_thcs — не более 0,15 °С/Вт, корпус/теплоотвод R_thcs — 0,1 °C/Вт.

Рис. 10. Зависимость I_c модуля GA200HS60SPbF от температуры корпуса

Рис. 11. Зависимости потерь переключения модуля GA200HS60PbF от тока коллектора

Рис. 12. Зависимости напряжения V_ces модуля GA200HS60SPbF от тока коллектора

GA400TD60S (2011 г.) — полумост, выполненный на IGBT 4-го поколения с интегрированными антипараллельными диодами (рис. 13). Особенности и преимущества модуля (только отличия от вышерассмотренного):

• низкое V_ceon;
• квадратная характеристика безопасной работы (RBSOA);
• антипараллельные диоды HEXFRED с очень мягкой характеристикой обратного восстановления;
• подложка DBC (Direct-Copper-Bonded) из Al₂O₃;
• очень низкое тепловое сопротивление кристаллы/корпус.

Рис. 13. Структура модуля GA400TD60S

Рассматриваемый модуль также имеет запас по току коллектора, зависимость максимального постоянного тока коллектора модуля от температуры корпуса приведена на рис. 14, при Т_с = +80 °С ток I_c ≈ 520 А (при Т_с = +25 °С нормированное значение I_c = 750 А). Другие параметры модуля (кроме приведенных в таблице 1):

• максимальная мощность рассеяния при Т_с = +80 °С — 875 Вт;
• максимальный прямой ток антипараллельных диодов при Т_с = +80 °С — 145 А;
• прямое напряжение на антипараллельных диодах — 1,7 В (при I_f = 400 А, Т_j = +125 °C);
• общие потери переключения при Т_j = +125 °C — 184 мДж (при V_cc = 360 В, I_c = 400 А, U_ge = 15–0 В, R_g = 22 Ом);
• время восстановления обратного сопротивления диодов при Т_j = +125 °C — 236 нс (при I_f = 300 А, dI_пр/dt = 500 А/мкс, V_cc = 400 В);
• тепловое сопротивление: кристалл/корпус R_thcs — не более 0,08 °С/Вт (IGBT), не более 0,4 °С/Вт (диоды).

Рис. 14. Зависимость максимального тока коллектора модуля GA400TD60S от температуры корпуса

GT100DA120U (2010 г.) — ключевой IGBT с антипараллельным диодом (рис. 15). Особенности и преимущества модуля:

• IGBT выполнены по технологии Trench с положительным температурным коэффициентом;
• квадратная характеристика безопасной работы (рис. 16);
• устойчивость к коротким замыканиям длительностью до 10 мкс;
• антипараллельные диоды HEXFRED со сверхмалым временем восстановления обратного сопротивления;
• полностью изолированный корпус;
• очень малая внутренняя индуктивность (менее 5 нГн);
• промышленное исполнение;
• соответствие требованиям UL approve file E78996 и RoHS 2002/95/EC;
• параметры оптимизированы для работы в источниках бесперебойного питания, импульсных источниках питания, сварочных аппаратах, установках индукционного нагрева;
• легкость параллельного включения модулей;
• непосредственный монтаж на радиаторы;
• частоты переключения 4–30 кГц;
• очень малое сопротивление открытого канала;
• малый уровень электромагнитных излучений.

Рис. 15. Структура модуля GT100DA120U

Менее мощные IGBT-модули (I_c менее 100 А) выпускаются в следующих конфигурациях: полумост, полный мост, четыре инвертора, шесть инверторов, чоппер, ключ.

Рис. 16. Характеристика безопасной работы модуля GT100DA120U

Рассмотрим особенности и основные параметры модуля GB15XP120KTPbF (2010 г.) из этой группы. Прибор является трехфазным инвертором с интегрированными антипараллельными диодами, выполнен в корпусе МТР и предназначен для электропривода двигателей переменного тока (рис. 17). Основные особенности и преимущества прибора:

• применение NPT IGBT пятого поколения на напряжение 1200 В;
• антипараллельные диоды HEXFRED со сверхмалым временем восстановления обратного сопротивления;
• очень малая перекрестная проводимость и потери переключения;
• интегрированный терморезистор с отрицательным ТКС (опция);
• подложка DBC из оксида алюминия;
• конструкция с минимальными индуктивностями для обеспечения высокого быстродействия;
• устойчивость к коротким замыканиям длительностью до 10 мкс;
• квадратная характеристика безопасной работы;
• рабочий диапазон частот переключения 8–60 кГц;
• промышленное исполнение;
• параметры модуля оптимизированы для работы в электроприводе двигателей;
• малый уровень электромагнитных излучений;
• непосредственный монтаж на радиатор;
• терминалы для пайки в отверстия печатных плат;
• очень низкое тепловое сопротивление кристаллы/корпус.

Рис. 17. Структура модуля GB15XP120KTPbF

Токи коллекторов IGBT-модуля I_c = 15 А и прямой ток антипараллельных диодов I_f = 15 А нормированы при температуре корпуса +100 °С (при Т = +25 °С I_к = 30 А, I_пр = 30 А), импульсный ток коллектора 60 А, мощность рассеяния 75 Вт (при Т = +100 °С). Некоторые другие параметры модуля:

• напряжение V_ceon — 2,94 В (при T_j = +125 °C, I_c = 15 А);
• прямое напряжение на диодах — 2,27 В (при T_j = +125 °C, I_f = 15 А);
• общий заряд затвора IGBT — 98 нК (при I_к = 15 А, V_cc = 600 В, U_ge = 15 В);
• входная емкость — 1302 пФ, выходная емкость — 717 пФ, обратная проходная емкость — 38 пФ;
• параметры терморезистора: R₀ = 30 кОм, β = 4000 (+25/+85 °С).

Характеристики переключения модуля показаны на рис. 18.

Рис. 18. Характеристики переключения модуля GB15XP120KTPbF

MOSFET-модули

Классификационные параметры всех MOSFET-модулей фирмы из каталога 2012 г. [5] приведены в таблице 2.

Примечание: I_AR — лавинный ток (Avalanche current), E_AR — повторяющаяся лавинная энергия (Repetitive avalanche energy).

Окончательным тестом для полевых транзисторов с изолированным затвором обычно является испытание на индуктивную нагрузку без фиксирования уровня. Это позволяет определить стойкость прибора и его способность поглощать энергию при лавинном пробое. Устойчивость к пробою может использоваться многократно, в справочных данных МОП-транзисторов приводятся значения максимальной энергии на импульс E_AR и максимальный ток пробоя, разрешаемых при повторяющихся условиях возникновения лавинного процесса. Это означает, что из схем можно удалить компоненты фиксации уровня напряжения и упростить их, то есть в определенных условиях возникновение лавинного пробоя не отражается на надежности МОП-транзисторов.

MOSFET-модули компании выпускаются в корпусах двух типов — MTP (рис. 19) и SOT227 (рис. 7). Все приборы в корпусах SOT227 представляют собой отдельные транзисторы с защитными диодами, а в категорию модулей они отнесены по конструктивным характеристикам.

Рис. 19. Внешний вид корпуса МТР

19MT050XFAPbF (2010 г.) — полный мост на мощных полевых транзисторах типа FREDFET MTP с обратными диодами (рис. 20). Основные особенности и преимущества прибора:

• низкое сопротивление R_dson;
• высокоэффективная работа модуля оптимизирована за счет использования защитных диодов с быстрым восстановлением обратного сопротивления;
• возможности прибора полностью характеризуются величиной емкости нагрузки и значениями лавинных токов и напряжений;
• подложка DBC из Al₂O₃;
• минимальные паразитные индуктивности для обеспечения высокого быстродействия;
• малый заряд затвора позволяет использовать простые драйверы для раскачки;
• усовершенствованный затвор, отсутствие выбросов, вызванных лавинным пробоем и большой скоростью нарастания напряжения dV/dt;
• малое время t_rr диода с мягким восстановлением обратного сопротивления;
• параметры оптимизированы для работы в сварочных аппаратах, импульсных и бесперебойных источниках питания;
• возможность работы с переключением при нулевом напряжении (ZVS/ПНН) и на высоких частотах;
• непосредственный монтаж на радиатор;
• выводы для монтажа в отверстия печатных плат;
• очень низкое тепловое сопротивление кристаллы/корпус.

Рис. 20. Структура модуля 19MT050XFAPbF

Максимально допустимый ток стоков MOSFET-модуля нормирован при температуре корпуса +100 °С, при снижении температуры корпуса допустимый I_d может быть увеличен, например при +Т_с = 50 °С допустимый I_d = 28 А. Другие параметры модуля:

• максимальная мощность рассеяния — 456 Вт (при Т_с = +100 °C);
• рабочий диапазон температур кристаллов –55…+150 °С;
• общий заряд затвора 105 нК (при I_c = 31 А, V_ds = 400 В, V_gs = 10 В);
• динамические характеристики: t_d(on)/t_d(off) — 49 нс/80 нс, t_r/t_f — 165/76 нс (при I_d = 31 А, V_ds = 250 В, V_gs = 10 В, R_g = 4,3 Ом);
• прямое напряжение на защитном диоде — 1,01 В (при Т_j = +125 °С, dI/dt = 100 А/мкс, I_f = 31 А);
• время восстановления обратного сопротивления t_rr — 252 нс.

VS-FB190SA10 (2011 г.) — мощный MOSFET третьего поколения. Он является прибором с комбинацией оптимальных параметров: высокого быстродействия, отсутствия выбросов, очень малого сопротивления открытого канала и доступной цены. Особенности модуля:

• полностью изолированный корпус;
• легкость параллельного соединения;
• очень низкое сопротивление канала R_ds(on);
• нормирование по скорости нарастания напряжения dV/dt;
• нормирование по параметрам лавинного пробоя;
• возможность применения простых схем драйверов;
• малый заряд затвора;
• малая емкость сток/корпус;
• малые внутренние паразитные индуктивности;
• соответствие требованиям UL, RoHS;
• промышленное исполнение.

Структура и эскиз конструкции модуля приведены на рис. 21, максимальный ток стока прибора нормирован при температуре корпуса +100 °С, при снижении температуры допустимый ток стока может быть увеличен. На рис. 22 показана зависимость максимально допустимого тока стока модуля от температуры кристалла. Основные параметры прибора:

• мощность рассеяния — 568 Вт (Т_с = +25 °С);
• диапазон рабочих температур кристалла — –55…+150 °С;
• тепловое сопротивление кристалл–корпус — не более 0,22 °С/Вт, корпус–теплоотвод — 0,05 °С/Вт;
• общий заряд затвора — 250 нК (при I_с = 180 А, V_ds = 80 В, V_gs = 10 В);
• динамические характеристики: t_d(on)/t_d(off) — 45/181 нс, t_r/t_f — 351/335 (при V_dd = 50 В, I_d = 180 А, внутреннее R_g = 2 Ом).

Рис. 21. Структура и конструкция модуля VS-FB190SA10

Рис. 22. Зависимость максимального тока стока модуля VS-FB190SA10 от температуры корпуса