Как технологические инновации способны дать новую жизнь тиристорам в XXI веке

Последние исследования рынка полупроводниковых компонентов показывают ожидаемый рост потребления силовых модулей в мире на уровне 10–12%. При этом наиболее популярными продуктами являются IGBT-модули, которым уделяется основное внимание исследователей и разработчиков. Но не стоит забывать и о биполярных силовых модулях, в которых применяются традиционные тиристоры и диоды, хотя бы потому, что их рынок растет теми же темпами, что и рынок IGBT-модулей. Разработчики компании IXYS ставят перед собой задачи не только по улучшению структуры и топологии кристаллов за счет совершенствования технологических процессов и материалов, но и улучшения соотношения мощность/вес, что позволяет получить на выходе инновационные продукты для решения наиболее сложных и ответственных задач. Цели новых разработок — увеличение плотности тока, уменьшение габаритов и увеличение эффективности использования объема модуля, следуя которым компания IXYS демонстрирует постепенную инновационную эволюцию технологий по разработке и производству силовых кристаллов, а также технологий изготовления корпусов.

Технология разработки и производства тиристоров известна уже многие годы, поскольку они были одними из первых изделий, полученных в исследовательских лабораториях, занимающихся силовыми полупроводниками. Подразделение компании IXYS Lampertheim (Германия) выпустило первые коммерческие продукты на основе тиристоров в 1961 г. Данная технология сделала большой шаг вперед после выпуска первого модуля на DCB-керамике в 1981 г., что в свою очередь подтолкнуло бурное развитие новых технологий за счет рыночной конкуренции разных производителей. Сегодня керамические платы, выполненные по технологии DCB, обеспечивают надежную изоляцию силовых модулей и производятся на собственных мощностях IXYS, что дает компании определенные преимущества как на стадии разработки, так и при серийном производстве. В то же время за прошедшие годы сформировалось сразу несколько технологических решений производства тиристоров. На рис. 1 приведен обзор технологий производства тиристорных кристаллов компании IXYS.+

Рис. 1. Обзор технологий производства тиристоров

CWP является стандартной технологией производства силовых тиристоров, когда анод находится в нижней части и устанавливается с помощью пайки, в то время как катод находится вверху. Ток управляющего электрода в этом случае имеет положительную полярность относительно катода.

Следующим шагом было создание топологии с верхним расположением анода при расположении управляющего электрода с катодом внизу для создания полумостовой конфигурации на одной подложке. Здесь ток управления имеет уже отрицательную полярность.

Последующие исследования показали необходимость применения в некоторых конструкциях инвертированной топологии с нижним расположением катода и управляющего электрода. Так появилась CWRP-топология с «катодным» управлением и верхним расположением анода. Кроме этого, компанией IXYS были разработаны структуры CWP, управляемые обратным током, что позволило создавать в комбинации с CWN простые TRIAC-конфигурации на двух кристаллах.

Наличие сразу нескольких технологий позволило компании IXYS получить большую гибкость в производстве и разработке биполярных модулей для плавного пуска, разнообразных инверторов, источников бесперебойного питания и широкого круга импульсных преобразователей. Так, для примера, совместное применение тиристора с анодом в основании наряду с тиристором с нижним расположением катода позволяет получить полумостовую конфигурацию в дискретном корпусе, которая может быть установлена на радиатор без изоляции с меньшими габаритами и малым весом.

Модуль ComPack

Другим примером успешного применения в одном изделии кристалла с нижним расположением анода и кристалла с нижним расположением катода стал модуль ComPack (рис. 2). Данный модуль обеспечивает ток до 800 А в полумостовой конфигурации. При этом максимальная допустимая температура кристалла составляет +140 °С. Силовые шины модуля соединены непосредственно с верхней частью кристаллов, что стало возможным благодаря применению «зеркальной» топологии совместно с технологией металлизации верхнего электрода.

Рис. 2. Модуль ComPack

На рис. 3 показана конструкция ComPack-модуля, в которой силовые шины соединены только с верхними контактными площадками, что не только упрощает конструкцию модуля, но и позволяет получить большую плотность тока. В результате вес полумостового модуля на 800 А составляет всего 500 г. Это почти на 1 кг меньше, чем у аналогичного модуля прижимной конструкции. Дополнительно экономия площади основания составит порядка 30%. Таким образом, философия «больше мощности в меньшем корпусе» способна существенно сократить транспортные расходы во всей цепочке поставки модуля конечному потребителю.

Рис. 3. Конструкция модуля с увеличенной плотностью тока ComPack

Производимая компанией IXYS DCB-керамика обеспечивает напряжение изоляции до 4800 В, что соответствует требованиям стандартов UL. Конструкция с медным основанием корпуса, примененная в ComPack-модуле, позволяет снизить тепловое сопротивление и упростить монтаж модуля на радиатор. Одновременно, за счет применения улучшенной конструкции модуля, удалось получить более высокую надежность и увеличить выходную мощность за счет оптимизации путей передачи тепла от кристаллов на радиатор. Основное отличие от «классической» конструкции модуля приведено на рис. 4.

Рис. 4. Конструкция модуля с улучшенным теплоотводом ComPack

Так, тепловое сопротивление было снижено за счет применения керамики толщиной 0,38 мм вместо 0,63 мм, притом что толщина медных проводников осталась без изменения. Кроме того, в конструкции ComPack более тонкая DCB керамическая плата припаяна к медному основанию, в то время как в «классической» конструкции модуля Y1 керамическая плата прижата к медному основанию через слой термопасты. Все это позволило снизить тепловое сопротивление в совокупности практически на 30%.

В настоящее время доступны конфигурации ComPack как с двумя тиристорами и диодами (полумост), так и тиристорно-диодные модули, а также одиночные тиристоры и диоды. Дальнейшие разработки предполагают выпуск неизолированного модуля TRIAC на большие токи. Таким образом, данное решение позволяет получить большую мощность и эффективность изделия при меньшем весе и снижении его стоимости. Разработчики современных преобразователей, источников питания и систем управления двигателями получают в свое распоряжение новейшие биполярные модули ComPack для решения наиболее амбициозных задач.

TRIAC (симисторные) модули компании IXYS

Сегодня доступно множество тиристоров и симисторов для самых разных классов задач. Наиболее популярная топология тиристорной структуры для коммутации переменного тока — соединение одинаковых кристаллов обратной общей стороной. В этом случае аноды кристаллов соединяются с помощью пайки и получается недорогая надежная конструкция с низкой стоимостью. В случае же применения кристаллов с «зеркальной» топологией возможно получить ряд дополнительных преимуществ. Так, установка одного кристалла с нижним расположением анода и одного кристалла с нижним катодом в неизолированный корпус позволяет получить больше возможностей управления симистором в разных квадрантах (рис. 5) за счет наличия как положительного, так и отрицательного тока управления.

Рис. 5. Управление тиристорами в различных квадрантах

Самое главное преимущество заключается в необходимости применения одного драйвера управления для всех режимов. Таким образом, данные конфигурации могут быть «упакованы» в стандартные трехвыводные корпуса. Менее очевидные преимущества вытекают из применения тиристорной структуры по сравнению с традиционными симисторами: разработчику становятся доступны более высокие скорости изменения тока и напряжения di/dt и dv/dt, что позволяет снизить число внешних компонентов схемы. Симисторный элемент с двумя «зеркальными» кристаллами лишен главных недостатков классических симисторов, накладывающих ограничение на прямой протекающий ток и обратное напряжение. Применение данной топологии позволило расширить диапазон токов и напряжений симисторов за пределы 25 А и 1000 В в стандартных корпусах TO-220 и TO-247. Таким образом, многие разработчики, которые ранее вынуждены были делать два различных решения для различных питающих напряжений, сегодня могут применить один симистор в одной-единственной конфигурации для всех своих потребителей. Первый симистор, серийно выпущенный по данной технологии, — CLA60MT1200HB — доступен в корпусах TO-247, TO-268 и ISO247. Компания IXYS планирует развивать данную линию продукции, расширяя диапазон напряжений и токов, что должно быть востребовано в приложениях по управлению двигателями, электрическими нагревателями и контролем освещения.

Тиристор с обратной проводимостью (триод)

Одна из последних разработок компании IXYS — быстродействующий тиристор со встроенным обратным диодом (рис. 6). Данное решение основано на топологии с единственным кристаллом, обеспечивающим очень быстрое включение и высокую эффективность. Подобные приборы ранее изготавливались за счет применения нескольких кристаллов, что не только усложняло конструкцию, но и вносило дополнительную паразитную индуктивность, снижающую общую эффективность и надежность. Наличие интегрированного в структуру тиристора обратного диода позволяет эффективно применять данный прибор в различных схемах для разряда емкости (resonant discharge). Данный прибор способен напрямую заменить искро­гасители в схемах поджига HID-ламп для автомобилей, а также в различном осветительном оборудовании для уличного и специализированного освещения. Твердотельный элемент коммутации, помимо искробезопасности, гарантирует более долгий срок эксплуатации без существенного изменения параметров коммутирующего элемента. Другие применения, наподобие электрического заграждения и прочих схем разряда, могут быть эффективно реализованы с применением новых триодов. Первый коммерческий продукт CLA30EE1200PB доступен в корпусе TO-220 и обеспечивает коммутацию до 30 А при блокирующем напряжении 1200 В.

Рис. 6. Типовая схема включения триода

Заключение

Данный обзор поясняет, как стало возможным за счет улучшения технологий силовых полупроводников и новых конструкций силовых модулей выпустить на рынок решение на 800 А, выполненное по недорогой «паяной» технологии. Описаны преимущества новых симисторов и возможности новой структуры тиристора со встроенным обратным диодом, которые способны по-новому решить многие известные задачи, давая более высокую эффективность и надежность готового изделия. На рис. 7 показаны некоторые из продуктов компании IXYS, которые находятся в разработке. Таким образом, развитие «классических» биполярных технологий дает им новую жизнь в XXI в.

Рис. 7. Примеры продукции