Обзор продукции компании TECHSEM

Изделия TECHSEM [1] широко используются во многих областях промышленности, таких, например, как металлургия, электроэнергетика, химическая индустрия, железнодорожный транспорт. Они находят применение также в сварочном оборудовании и оборудовании для плавного старта и питания различных двигателей, в источниках питания, инверторах, преобразователях, выпрямителях и др.

Все приборы имеют маркировку СЕ и исполняются в соответствии с директивой European RoHS (Restriction of Hazardous Substances), ограничивающей использование опасных веществ в производимых электрических и электронных продуктах и запрещающей применение таких компонентов, как ртуть, кадмий, олово и некоторые виды хрома.

Для обеспечения высокого уровня качества продукции TECHSEM придерживается следующих принципов:

• все бизнес-процессы, включая разработку и производство, проводятся строго в соответствии с рекомендациями ISO 9001: 2008 Системы управления качеством, ISO14001 и OHSAS18001;
• в процессе производства неукоснительно проводятся проверка и тестирование продукции, включающие оценку внешнего вида и анализ параметров на всех этапах — от стадии присоединения подложки к чипу и до сборки капсулы или модуля;
• испытание продукции включает четыре категории — обычные проверки всех приборов (группа А), выборочный контроль (группа В), квалификационные испытания (группа С) и квалификационные проверочные испытания (группа D).

Основные виды выпускаемой компанией продукции:

• мощные полупроводниковые приборы таблеточного (капсульного) типа, к которым относятся низкочастотные, высокочастотные, быстродействующие запираемые и двунаправленные тиристоры, выпрямительные диоды, диоды с быстрым восстановлением, обратно переключаемые динисторы и изолированные капсулированные мощные модули;
• силовые модули, к которым относятся тиристорные, диодные и тиристорно-диодные модули (изолированного и неизолированного типа), одно- и трехфазные выпрямительные мосты, тиристоры с быстрым отключением, диодные модули с быстрым восстановлением и диоды со сверхбыстрым восстановлением;
• силовые полупроводниковые сборки, к которым относятся одно- и трехфазные полномостовые сборки, шестифазные мостовые сборки, переключатели переменного напряжения, высоковольтные сборки;
• различные радиаторы воздушного и водяного охлаждения;
• сборочно-монтажное оборудование.

Рассмотрим основные виды продукции более подробно.

Приборы капсульного типа

Рис. 1. Внешний вид прибора капсульного типа

Особенность этих приборов заключается в том, что они упаковываются в герметичные металлические корпуса с керамическими изоляторами — так называемые капсулы. Капсульные приборы разделяются на категории в соответствии с типом используемого в них чипа и электрическими параметрами. Внешний вид одного из таких приборов показан на рис. 1.

Рассмотрим виды приборов капсульного типа [2] подробнее.

Типы капсульных корпусов тиристоров серий КР и КК, а также диодов серии ZP, используемых в зависимости от прямого тока и обратного напряжения, приведены в таблице 1. Все эти приборы приспособлены для одно- и двустороннего охлаждения.

Регулируемые по фазе тиристоры серии КР производятся по диффузионной технологии и имеют ступенчатую структуру внутреннего усиления. Тиристоры быстрого включения серии КК могут работать при условии быстрого нарастания тока включения (di/dt), обладают высокими электрическими динамическими характеристиками, такими как низкие потери при переключении и быстрое время выключения. Выпрямительные диоды серии ZP — диффузионно-сплавные.

Рис. 2. Пример присвоения обозначения приборам капсульного типа:
1 — код прибора (Y — обычный прибор; Н — высоковольтный);
2 — диаметр используемого чипа, мм;
3 — тип чипа (KP, KK, ZP);
4 — код спецификации подложки;
5 — градации (рейтинг) прямого тока IFAV/ITAV = Code×100 А); 6 — градации (рейтинг) обратного напряжения (VDRM/VRRM = Code×100 В); 7 — обозначение кода корпуса

Пример присвоения обозначения приборам капсульного типа показан на рис. 2.

• К — корпус тиристора;
• Z — корпус диода;
• Т — выпуклая поверхность;
• А — вогнутая поверхность;
• 60 — код для катода и анода;
• две последующих буквы — высота корпуса, мм (aT — 14, cT — 26, dT — 35);
• 65 — опция для альтернативного применения чипа.

На рис. 3 приведен общий вид приборов капсульного типа, а в таблице 2 — ключевые индикаторы их корпусов.

Рис. 3. Общий вид прибора капсульного типа

В таблице 3 приведены соотношения между величиной входного сетевого напряжения (АС) и рекомендованным повторяющимся пиковым значением напряжения запертого прибора (V_DRM) и значением обратного напряжения (V_RRM).

Рис. 4. Маркировка прибора капсульного типа:
1 — код капсульного прибора;
2 — диаметр используемого чипа;
3 — тип чипа;
4 — код спецификации подложки;
5 — код рейтинга прямого тока;
6 — код рейтинга обратного напряжения;
7 — код даты выпуска;
8 — матричный код, содержащий сведения о продукте, номерах партий, производственной и измерительной линий и о дате выпуска

На рис. 4 показан прибор капсульного типа с нанесенной на его корпус маркировкой.

• усредненный прямой ток диода I_FAV/усредненный ток включенного тиристора I_TAV;
• пик (выброс) прямого тока диода I_FSM/тиристора I_FSM;
• пиковый интеграл нагрузки i²t;
• повторяющееся пиковое напряжение на запертом приборе V_DRM/повторяющееся пиковое обратное напряжение V_RRM;
• пиковое значение обратного тока утечки I_DRM/пиковый обратный ток I_RRM;
• пороговое напряжение V_ТО;
• сопротивление в проводящем направлении r_F;
• пиковый прямой ток диода I_FM/пиковый ток открытого тиристора I_TM;
• пиковое напряжение проводящего диода V_FM/открытого тиристора V_TM
• время коммутации тока при выключении тиристора t_q;
• критическая скорость нарастания напряжения открытого тиристора du/dt;
• термическое сопротивление соединения с корпусом R_th(j-c);
• термическое сопротивление соединения корпуса к тепловой подложке R_th(c-hs).

Для получения максимально возможного тока тиристорной или диодной капсулы чаще всего используется двустороннее охлаждение (Double-sided Cooling, DSC). В этом случае изделие зажимается между двумя идентичными тепловыми приемниками. Возможно также применение одностороннего охлаждения (Single-sided Cooling, SSD).

Могут использоваться воздушно-охлаждающие либо водно-охлаждающие тепловые приемники. В первом случае они должны быть смонтированы так, чтобы их охлаждающие наконечники были параллельны направлению охлаждающего воздуха и расположены близко к воздушным входам так, чтобы воздух предварительно не нагревался другими компонентами.

С целью гарантии хорошего электрического и термического контакта контактные поверхности тепловых приемников должны быть очищены до металлического блеска, а их плоскость должна иметь неровности, не превышающие 50 мкм на дюйм, а сами неровности должны быть менее 10 мкм. Контактные площадки должны быть покрыты тонким слоем (100 мкм) термического компаунда, такого, например, как Penetrox A или А13.

Силовые модули

Рис. 5. Внешний вид одного из вариантов силового модуля

Силовые модули TECHSEM [3] выполнены по различным схемным топологиям: тиристоры (серии МТ и МТС), выпрямительные диоды (серии MD и MDC), гибридные модули (серия MFC) и выпрямительные мосты (серия MDS). Диапазон выходных токов этих изделий составляет 26-570 А, а максимальное обратное напряжение достигает 3600 В. Помимо указанной выше маркировки СЕ, силовые модули имеют дополнительную маркировку компании по стандартизации и сертификации в области техники безопасности UL (Underwriters Laboratories Inc.).

Внешний вид одного из вариантов силового модуля показан на рис. 5.

Для различных применений могут использоваться семь различных схемных топологий силовых модулей (рис. 6): MTC, MFC, MDC, MD, MT, MDS и MDQ.

Рис. 6. Различные схемные топологии силовых модулей

В зависимости от упаковочных размеров модулей имеется восемь различных их корпусов (рис. 7).

Рис. 7. Корпуса силовых модулей

Размеры корпусов силовых модулей приведены в таблице 5. Все модули имеют стандартный допуск на размер ±0,5 мм.

Пример присвоения обозначения силовым модулям показан на рис. 8.

Рис. 8. Пример присвоения обозначения силовым модулям:
1 — схемная топология;
2 — нормированный ток ITAV, А;
3 — класс напряжения (VDRM/VRRM = Class×100 В);
4 — тип корпуса (рис. 7);
5 — опция

При применении модулей можно использовать те же соотношения между величиной входного сетевого напряжения (АС) и рекомендованным повторяющимся пиковым значением напряжения запертого прибора и значением обратного напряжения, что приведены в таблице 3 для приборов капсульного типа.

Рис. 9. Боковой вид силового модуля с нанесенной маркировкой:
1 — код типа корпуса (6G)/код топологии (TC)/производственный номер (М134021)/номер модуля при выпуске;
2 — код класса напряжения;
3 — код выхода годных;
4 — код дополнительных данных

На рис. 9 показан один боковой вид силового модуля с нанесенной на его корпус маркировкой. На рис. 10 показана маркировка, нанесенная на другой бок силового модуля.

Рис. 10. Другой боковой вид силового модуля с нанесенной маркировкой:
1 — логотип фирмы;
2 — маркировочный знак;
3 — тип модуля/класс напряжения/тип корпуса/номер партии;
4 — схема топологии

Полупроводниковые компоненты модулей весьма чувствительны к перенапряжению и токовым перегрузкам. Наиболее популярные методы защиты от перенапряжений:

• использование гасящих резисторов и сглаживающих конденсаторов;
• использование гасящих цепей на стороне АС;
• использование защитных варисторов и кремниевых лавинных диодов.

Для защиты компонентов от превышения тока, помимо радиаторов с воздушным и водяным охлаждением, могут использоваться прерыватели или предохранители в мощных цепях.

С целью получения более безопасных напряжений на них диоды и тиристоры можно соединять последовательно. Это важно для получения более однородного распределения напряжений на приборах. При этом напряжение на каждом диоде или тиристоре должно быть, по крайней мере, на 10% ниже, чем при применении одного прибора. При параллельном соединении диодов и тиристоров они должны иметь схожие характеристики проводимости и работать при прямых токах, не превышающих 80% от максимально допустимого значения.

К основным техническим параметрам силовых модулей относятся:

• средний прямой ток диода I_F(AV)/средний ток включенного тиристора I_T(AV);
• выброс прямого тока диода или тиристора I_FSM;
• интегральная пиковая нагрузка i²t;
• повторяющееся пиковое напряжение запертого прибора V_DRM/повторяющееся пиковое обратное напряжение V_RRM;
• пиковая величина утечки обратного тока I_DRM/пиковая величина обратного реверсного тока I_RRM;
• пороговое напряжение V_TO;
• сопротивление в проводящем направлении r_F;
• пиковое напряжение проводящего диода V_FM/открытого тиристора V_TM;
• время коммутации тока при выключении тиристора t_q;
• критическая скорость нарастания тока открытого тиристора di/dt,
• критическая скорость нарастания напряжения открытого тиристора du/dt,
• термическое сопротивление соединения с корпусом R_fh(j-c);
• испытательное напряжение изоляции V_iso.

Рекомендации по монтажу силовых модулей остаются такими же, как и по монтажу приборов капсульного типа.

Силовые полупроводниковые сборки

Рис. 11. Внешние виды некоторых полупроводниковых сборок

Силовые полупроводниковые сборки имеют ряд преимуществ: возможность коммутации больших токов, быстрота включения (высокое значение нарастания тока включения di/dt), высокая надежность, долговечность и относительно небольшая стоимость.

Силовые сборки представляют собой определенным образом соединенные диоды, тиристоры и динисторы (сочетание транзистора и тиристора), выполненные в виде уже упоминавшихся капсул и модулей и собранные в так называемые колонны (стеки). В соответствии с требованием заказчика такие сборные конструкции могут быть специально разработаны для обеспечения всех электрических функций, включая коммутацию и защиту.

В некоторых сборках используются приборы со структурой обратно-переключаемого динистора (Reversevly Switching Dynistor, RSD), что обеспечивает возможность переключения ими очень больших токов. RSD переключается коротким (1-3 мкс) импульсом обратного тока от триггерной схемы. Во время этого импульса ток протекает через полупроводниковый переход, образуя тонкий слой плазмы, которая рассасывается, когда приложенная полярность напряжения возвращается к начальному состоянию.

Внешние виды некоторых полупроводниковых сборок показаны на рис. 11.

Рис. 12. Схемные топологии полупроводниковых сборок серии В2:
В2U — однофазный выпрямительный мост;
B2C — однофазный полноуправляемый мост;
B2HK, B2HA, B2HZ — однофазные полууправляемые мосты

Рис. 13. Схемные топологии полупроводниковых сборок серии В6:
B6U — трехфазный выпрямительный мост;
B6C — трехфазный полноуправляемый мост;
B6HK — трехфазный полууправляемый мост

Типы предлагаемых компанией TECHSEM силовых полупроводниковых сборок показаны на рис. 12-17. В таблице 6 приведены данные о некоторых свойствах и параметрах сборок всех указанных на рисунках серий.

Рис. 14. Схемные топологии полупроводниковых сборок серии М6:
M6UK — шестифазный неуправляемый мост с соединенными катодами;
M6UA — шестифазный неуправляемый мост с соединенными анодами;
M6CK — шестифазный управляемый мост с соединенными катодами;
M6CA — шестифазный управляемый мост с соединенными анодами

Рис. 15. Схемные топологии переключателей серии W:
W1C — однофазный переключатель переменного напряжения;
W3C — трехфазный переключатель переменного напряжения;
W3C2 — трехфазный переключатель переменного напряжения с одной замкнутой фазой

Рис. 16. Схемные топологии полупроводниковых сборок серии В6С:
(В6С)2 — трехфазный полноуправляемый мост с разомкнутыми цепями катодов и анодов; 
(В6С)2I — трехфазный полноуправляемый мост с замкнутыми цепями катодов и анодов

Рис. 17. Схемные топологии высоковольтных сборок серии HV:
HVC — сборка с последовательно включенными тиристорами;
HVU — сборка с последовательно включенными диодами;
HVS (RDS) — сборка с последовательно включенными динисторами

Радиаторы

TECHSEM выпускает широкий ассортимент радиаторов как с воздушным, так и с водяным охлаждением. В таблице 7 в качестве примера представлены некоторые из них.

Таблица 7. Радиаторы производства фирмы TECHSEM

Метод охлаждения	Тип радиатора	Внешний вид радиатора	Тип радиатора	Внешний вид радиатора
Водяной	SS11		RSS51
	SS12
	SS13
	SS14
	SS15
	SS16
	SS17
	SS11BL		RSS61
	SS12BL
	SS13BL
	SS14BL
	SS15BL
	SS16BL
	SS17BL
	RSS11		DSS3
	RSS21		DSS5
	RSS41		DSS8
	RSS31		HSS3
Воздушный	SF12		Wxx
	SF13
	SF14
	SF15
	SF16
	SF17