CC BY
230Компоненты и технологии, № 1'2003
SKiiP - интеллектуальные силовые модули IGBT
фирмы SEMIKRON
Одна из основных тенденций современной микроэлектроники — увеличение степени интеграции, объединение на одном кристалле или в одном корпусе максимального количества компонентов для полного решения какой-либо задачи. В области силовой электроники эта тенденция привела в свое время к разработке силовых модулей полумостовых и мостовых конфигураций. Наивысшим достижением интегральной силовой техники на сегодняшний день является создание интеллектуальных силовых модулей IPM (Intelligent Power Module) — мощных импульсных высоковольтных усилителей, управляемых логическими сигналами.
Андрей Колпаков
kai@megachip.ru
Современный IPM — это гибридный модуль, содержащий транзисторы IGBT или MOSFET, соединенные в определенной конфигурации, схему управления, оптимизированную по характеристикам управления затвора, схему защиты от перегрузок и схему индикации состояния. Основные требования, предъявляемые сегодня к законченному силовому модулю, — минимальные габариты и низкая стоимость материалов и процесса производства в сочетании с высокими техническими характеристиками и практически абсолютной безотказностью. Конструкция современного модуля должна обеспечивать минимальные значения переходных тепловых сопротивлений и распределенных индуктивностей силовых шин в сочетании с высоким напряжением изоляции. Все указанные требования реализованы в модулях, выпускаемых по технологии SKiiP (Semikron integrated intelligent Power), разработанной фирмой SEMIKRON.
Данная статья посвящена особенностям применения интеллектуальных силовых IGBT модулей SEMIKRON.
Таблица 1. Типы интеллектуальных силовых модулей IGBT на напряжение 1200/1700 В (напряжение шины — 600 В, частота ШИМ — 5 кГц)
Мощность, кВт SEMIKRON* TOSHIBA Mitsubishi
40 132GD120-318CTV (6-pack) MIG150Q101H (HB) MIG150Q6C (6-pack) PM150DSA120 (HB) *3
50 132GD120-318CTV (6-pack) MIG200Q101H (HB) MIG200Q6C (6-pack) PM200DSA120 (HB) *3
55 132GD120-318CTV (6-pack) PM300DSA120 (HB) *3
65 232GD120-313CTV (6-pack) PM300DSA120 (HB) *3
90 342GD120-314CTV (6-pack) 313GD122-3DUL (6-pack) PM400HSA120 (Single) *6
100 513GD122-3DUL (6-pack) PM600HSA120 (Single) *6
110 603GD122-3DUL (6-pack) PM600HSA120 (Single) *6
125 703GD121-3DU (6-pack) 632GB120-315CTV (2-pack) *3 PM800HSA120 (Single) *6
150 1203GB122-2DW (2-pack) *3 1513GB122-3DL (2-pack) *3
175 1803GB122-3DW (2-pack) *3
200 2103GB121-3DW (2-pack) *3
300 2403GB122-4DW (2-pack) *3
400 2403GB122-4DW (2-pack) *3
450 2803GB121-4DW (2-pack) *3
* Примечание: выбор типа модуля произведен с помощью программы автоматического расчета и выбора компонентов SEMISEL
Мощностные характеристики выпускаемых интеллектуальных модулей IGBT
В таблице 1 представлены некоторые типы IPM различных производителей для преобразователей стандартного ряда мощности, данного в первом столбце. Предельное напряжение большинства выпускаемых интеллектуальных силовых модулей составляет 1200 или 1700 В, что является оптимальным значением для безопасной работы от промышленной сети 380 В.
В таблице приняты следующие обозначения:
HB, 2-pack — полумост;
Single — одиночный модуль;
6-pack — полный 3-фазный транзисторный мост.
Как видно из таблицы 1, SEMIKRON не имеет конкурентов в производстве интеллектуальных модулей IGBT большой мощности. В области средних мощностей преимущества модулей SKiiP также очевидны, так как только они имеют конфигурацию 6-pack (полный 3-фазный мост), необходимую в большинстве применений.
Конструктивные особенности модулей pressure-contact
Интеллектуальные силовые модули объединяют в одном устройстве силовой каскад (одиночный, по-лумостовой, 3-фазный мостовой), драйвер и устройство защиты. Минимальные длины линий связи позволяют получить низкие значения распределенных индуктивностей, что уменьшает уровень переходных перенапряжений и уровень EMI. Хорошая тепловая связь элементов модуля повышает надежность работы схемы защиты.
При разработке конструкции модулей SKiiP специалистами фирмы SEMIKRON был произведен анализ отказов, свойственных стандартным силовым модулям IGBT. Эти отказы связаны в основном с неоптимальным согласованием коэффициентов теплового расширения CTE (Coefficient of Thermal Expansion) конструктивных материалов и, в первую очередь, алюминиевых соединительных выводов кристаллов и медных шин связи. Разность коэффициентов CTE
Компоненты и технологии, № 1'2003
для данных материалов ДСТЕА1_Си = 19,5.
На втором месте стоит разрушение паяного слоя между медной базовой платой и керамической пластиной DBC, на которой установлены силовые чипы — ДСТЕгас_Си = 10,8. DBC (Direct Copper Bonded) — это керамическая подложка с медными шинами связи, нанесенными диффузионным методом. Наиболее значительные перемещения (более 1 мкм) имеют место в сварном слое между керамикой DBC и медным основанием. После определенного числа термоциклов начинается ухудшение теплового контакта в этом соединении и увеличение теплового сопротивления. Следствием этого является повышение градиента температуры, повышение потерь и разрушение сварного шва. И еще одна серьезная проблема — усталостные процессы, имеющие место в паяных соединениях чипов.
Таблица 2 показывает соотношение характеристик теплового расширения в модулях различной конструкции — с медным основанием, с основанием из AlSiC и без несущей платы.
Во всех трех случаях подложка DBC изготовлена из нитрида алюминия. Основание из AlSiC снижает рассогласование коэффициентов теплового расширения, однако этот материал имеет большее значение теплового сопротивления, что в конечном итоге приводит к повышенному нагреву кристалла. Кроме того, стоимость основания из AlSiC намного выше медного.
Практически все проблемы устраняются при использовании конструкции модуля без медного основания с прямым прижимом керамики на охладитель (pressure-contact-tech-nology), используемой в модулях SKiiP. При такой конструкции градиент температуры на участке «кристалл — теплоотвод» снижается более чем на 5-10% по сравнению с модулем, имеющим медное основание, и обеспечивается отличное согласование СТЕ.
На рис. 1 показано устройство перспективного модуля SKiiP, рассчитанного на напряжение 3300 В и ток 1200 А. Модуль содержит теп-лосток, керамическое основание с мощными кристаллами, плату управления и элементы крепления. Керамическая пластина DBC с силовыми кристаллами установлена непосредственно на теплостоке.
В модулях SKiiP теплосток является составной частью конструкции. Пайка используется только для установки силовых кристаллов на керамическую плату. В данном соединении усталостные процессы незначительны, так как современные материалы, используемые для изготовления DBC-керамики, практически полностью согласованы с кремнием по CTE.
Все остальные соединения выполняются за счет механической запрессовки и механического прижима. Это позволяет обеспечить необходимые тепловые режимы и, соответственно, повысить надежность устройства. Модуль закрепляется на теплоотводе с помощью специальных прижимных контактов. Такая технология соединения снижает значение переходных тепловых сопротивлений на участке «кристалл — теплосток», позволяет оптимизировать термодинамические характеристики модуля и повышает эффективность работы схемы термозащиты.
Прижимная плата Эластичный
слои Силовые выводы
DCB подложка с кристаллами
Основание корпуса^
Крепежные винты
Печатная плата
Изолятор
Встроенный
пружинный
контакт
Теплоотводящий
слой
-Теплоотвод
Рис. l. Конструкция pressure-contact
Таблица 2. Сравнительные характеристики конструкции модулей
Стандартный модуль DBC - AIN Основание - Cu Стандартный модуль DBC - AIN Основание - AISiC Модуль SkiiP DB Основание - - AIN нет
ДТИ K ДL/L, le-6/K ДL, мкм A^K ДА le-6/K ДL, мкм ДТ^ ДL/L, le-‘/K ДL, мкм
Кремний (кристалл) 53,4 4,1 0,66 61,8 4,1 0,76 50,8 4,1 0,62
Подложка 46,6 5,7 0,80 55,2 5,7 0,94 44,2 5,7 0,76
Основание 38,1 17,5 2,00 42,7 7 0,90 - - -
ДTs — градиент температуры в точке измерения относительно теплоотвода; ДL/L — относительное изменение линейных размеров;
ДL — абсолютное изменение линейных размеров
Модули SKiiP 2 и З поколения полностью совместимы по конструктивным характеристикам и интерфейсу. В модулях SKiiP3 на 40% увеличена площадь керамической платы DBC, что позволило поднять выходную мощность модуля на 20%. Дальнейшее улучшение технических характеристик получено за счет того, что в модулях третьего поколения применены новейшие кристаллы NPT IGBT и плата DBC изготовлена из нитрида алюминия AlN.
На рис. 2 показана структура слоев модуля SKiiP3, а на рис. 3 — способ соединения силовых кристаллов, установленных на DBC-керамике, с печатной платой драйвера. В отличие от модулей второго поколения, где данное соединение выполнено через промежуточную плату, в новейших модулях силовые кристаллы подключены к плате драйвера непосредственно через пружинные контакты. Это снижает переходное сопротивление и повышает надежность соединения. Пружинные контакты подвергаются длительному тесту на многократные тепловые удары с градиентом -40/+125 °С, которые подтверждают их отличную временную стабильность.
Пружинные
Крепежные болты
Прижимная плата
Эластичная прокладка
Увеличение площади платы ЭБС позволило снизить тепловое сопротивление на 24% при использовании керамики А1203. В некоторых модулях 3 поколения применяется керамическая плата из АШ, что позволяет уменьшить тепловое сопротивление еще на 30%. Столь значительное улучшение тепловых характеристик удалось получить за счет того, что нитрид алюминия имеет не только лучшую теплопроводность, но и большую механическую прочность и однородность поверхности. Благодаря этому толщина теплопроводящей пасты снижена с 25 до 15 мкм. Тонкий слой пасты наносится с помощью специального технологического процесса с использованием шелкового трафарета. Кроме того, нитрид алюминия лучше согласован по коэффициенту теплового расширения с кремниевыми кристаллами, чем А1203. Преимущества платы ЭБС из АШ особенно очевидны при использовании жидкостного охлаждения.
Результатом резкого улучшения тепловых характеристик явилось значительное повышение уровней предельно допустимых токов.
АС Терминал
ОС Терминалы
I Изолятор Пластина сопряжения Рамка корпуса
ОСВ плата
Рис. 2. Конструкция полумостового элемента 5КиР
Компоненты и технологии, № 1'2003
Таблица З. Виды и условия испытаний модулей SKiiP
Таблица 4. Рекомендуемые рабочие токи для различных конфигураций модулей БКиР
Испытание Условия испытаний Испытания до полного отказа Стандарт
Повышенная температура при повышенном напряжении на коллекторе t = 125 "C VCE = 570 B Tt = 1000 ч IEC 60747-9
Повышенная температура при повышенном напряжении на затворе t = 125 "C Vge = 20 B Tt = 1000 ч IEC 60747-9
Повышенная температура хранения t = 125 "C Tt = 1000 ч IEC 68-2-2
Пониженная температура хранения t = -40 "C Tt = 1000 ч IEC 68-2-1
Повышенная влажность t = 85 "C, H = 85% VCE = 80 B Tt = 1000 ч IEC 68-2-3
Перепады температуры 500 циклов -40/+125 "С 900 циклов IEC 68-2-14
Циклическая нагрузка мощностью 20000 циклов At = 125 K 30 000 циклов IEC 60747-9
Вибрация, удары 5g/100 циклов/20-500 Гц 30g /18 мс/б ударов IEC 68-2-6 IEC 68-2-27
Тип З-фазный мост (б pack) З-фазный мост с тормозным транзистором (б pack + brake chopper) Полумост (2 pack) Мост (4 pack)
Конфигурация GD GDL GB GH
Конструктив S3,S33 S5GDL S3, S33 S4, S43 S2
SKiiP2
lc@600V 200-400 800-1600
lc@1200V 150-300 150-300 400-1200 150-600
lc@1700V 150-250 500-1000 250-500
SKiiP3
lc@600V 400-800 - - -
lc@1200V 300-600 - 1000-2400 -
lc@1700V 500 - 1000-2400 -
На рис. 4 показаны сравнительные характеристики максимальных токов для модулей 2 и 3 поколения с различными допустимыми напряжениями. Графики показывают почти двойное увеличение значений предельных токов.
Все модули SKiiP подвергаются жестким испытаниям на надежность. В таблице 3 приведены основные виды испытаний модулей, проводимых на фирме SEMIKRON. Одна из таких проверок — испытания выборки из некоторого количества модулей до полного отказа (end-of-life test) при подаче многократных импульсов мощности. В ходе данного испытания собирается статистика отказов, анализ которых учитывается при отработке процесса производства модулей. На основе полученных данных вычисляется ожидаемое время отказа 1% изделий.
Почти все испытываемые модули выходят из строя после 30±2 килоциклов испытаний импульсами мощности, что подтверждает хорошую повторяемость технологического процесса и высокую надежность. При обычных испытаниях на надежность, включающих 20 килоциклов нагрузок максимальной мощностью и 500 циклов тепловых ударов -40/+125 °C, не отказал ни один испытываемый модуль. Отметим, что модули, изготавливаемые по стандартным технологиям, как правило, выходят из строя после 10-15 тыс. термоциклов.
Применение модулей SKiiP
Рекомендуемые диапазоны применения различных конфигураций модулей SKiiP второго и третьего поколения приведены в таб-
лице 4. (Приведенные значения тока 1с даны для температуры кристалла Т^ = 150 °С).
В таблицах 5-7 дана расшифровка обозначений модулей ЭКпР и назначение выводов интерфейсов, используемых в модулях. Конструктивно модули 2 и 3 поколения не отличаются, различия касаются в основном некоторых технических особенностей, описанных ниже:
• модули 8КИР3 имеют более широкий допуск на напряжение питания схемы управления — 13-30 В;
• в модулях 3 поколения применены более совершенные кристаллы ЫРТ ЮБТ, имеющие меньшие потери на переключение;
• в модулях 8КИР3 защита от выхода транзистора из насыщения (БЕ8ЛТ) и от падения напряжения управления (UVLO) имеется на каждом силовом транзисторе. На выводе 12 (в конфигурации ОБ) суммируются сигналы неисправности по всем 3 фазам; при срабатывании защиты от перегрева, перенапряжения, перегрузки по току активируются все сигналы неисправности;
• в модулях 3 поколения отсутствуют защита от пробоя на корпус, имеющаяся в модулях 8КИР2 (ОБ).
Таблица 5. Обозначения модулей БКпРРАСК
Электрические характеристики модулей БКнР
При разработке модулей вКИР особое внимание уделялось обеспечению следующих параметров:
• минимальная паразитная индуктивность линий связи;
• оптимальная статическая и динамическая балансировка токов параллельно соединенных транзисторов;
• минимальный уровень электромагнитных помех;
• высокая устойчивость к ЕвБ.
Минимальная индуктивность связей достигается за счет оптимального взаимного расположения силовых транзисторов и антипарал-лельных диодов. Статическая балансировка токов во многом определяется разбросом электрических параметров элементов. Использование транзисторов ЫРТ 1ОБТ, имеющих положительный температурный коэффициент напряжения насыщения во всем диапазоне токов, позволяет получить автоматическую балансировку тока в статическом состоянии. В диодах, применяемых в модулях 8КИР, токи балансируются также автоматически.
№ SKiiPPACK-2 SKiiPPACK-З
1 SKiiP SKiiP
2 З Іс/100 (300 А) б 1с/Ю0 (600 А)
3 4 Тип чипа 1 тип РВС: 0-А1Ы, 1-А1А
4 2 Модификация БКІІР (2) З Модификация БКНР (3)
5 G ЮБТ G Э-ЮВТ, M-MOSFET
6 D В - полумост; Р - 3-фазный мост; РІ. - 3-фазный мост + торм. транзистор; Н - полумост; AL/AR - чоппер D В - полумост; Р - 3-фазный мост
7 12 Усе/100 (1200 В) 12 Усе/100 (1200 В)
8 0 поколение чипа 0 поколение чипа
9 З Количество полумостов в модуле З Количество полумостов в модуле
10 14 Версия схемы драйвера DU Опции: Ри - измерение напряжения шины питания; Р, РF - без измерения напряжения шины; рир - измерение напряжения шины питания, защита от перенапряжения
11 CTV Опции драйвера: С - встроенный измеритель тока; Т - встроенный термодатчик; V - встроенный источник 15/24 В; и - встроенный измеритель напряжения шины; F - разъем для подключения ВОЛС Тип теплостока: 1 - Р16 для принудительного воздушного охлаждения; W - WK40 для жидкостного охлаждения
Компоненты и технологии, № 1'2003
Таблица 6. Интерфейс GD (3-фазный мост)
Х1 № вывода Сигнал Примечание
1 shield Вывод для подключения экранирующей оплетки кабеля
2 BOT HB 1 IN4 Вход (15 В КМОП-логика, вх. сопротивление 10 кОм)
3 ERROR HB 1 OUT' Короткое замыкание HB1 LOW - No Error, открытый коллектор (Макс. - 30 В, 15 мА). Задержка - 1 мкс; мин. длительность импульса сброса - 8 мкс.
4 TOP HB 1 IN4 Вход (15 В КМОП-логика, вх. сопротивление 10 кОм)
5 BOT HB 2 IN4 Вход (15 В КМОП-логика, вх. сопротивление 10 кОм)
6 ERROR HB 2 OUT1 Короткое замыкание HB2 LOW - No Error, открытый коллектор (Макс. - 30 В, 15 мА). Задержка - 1мкс; мин. длительность импульса сброса - 8мкс.
7 TOP HB 2 IN4 Вход (15 В КМОП-логика, вх. сопротивление 10 кОм)
8 BOT HB 3 IN4 Вход (15 В КМОП-логика, вх. сопротивление 10 кОм)
9 3 B ^ P o O ER Короткое замыкание HB3 LOW - No Error, открытый коллектор (Макс. - 30 В, 15 мА). Задержка - 1 мкс; мин. длительность импульса сброса - 8мкс.
10 TOP HB 3 IN Вход (15 В КМОП-логика, вх. сопротивление 10 кОм)
11 Overtemp. OUT’ Перегрев LOW - No Error (tDBc< 115 °C); открытый коллектор (макс. - 30 В, 15 мА); LOW < 0,6 В, HIGH < 30 В
12 Reserve
13 UDC analog OUT Udc при использовании опции «U» 9 В при UDCmax, макс. ток - 5 мА
14 +24V VDC IN Питание 24 В (SKiiP2 - 20-30 В, SKiiP3 - 13-30 В)
15 +24V VDC IN При использовании шины +15Vdc, 24 В не подавать
16 +15V VDC IN Питание 15 В ± 4%
17 +15V VDC IN При использовании шины +24Vdc, 15 В не подавать
18 GND Общий силовой Общий сигнальный
19 GND
20 Temp. analog OUT Макс. ток - 5 мА
21, 23, 25 GND2
22 I analog OUT HB1 SKiiPPACK 2, 3 с подложкой AI2O3 Значение тока (8 В при 100% Ic) Перегрузка (10 В при 125% Ic@25 °C) SKiiPPACK 3 с подложкой AIN Значение тока (8 В при 86% Ic) Перегрузка (10 В при 107% Ic)
24 I analog OUT HB2
26 I analog OUT HB3
1 Цепь открытого коллектора, необходим добавочный резистор.
2 Для аналоговых выходов.
4 HIGH (min) - 11,2 В, LOW (max) - 5,4 В.
Таблица 7. Интерфейс GD (полумост)
Х1 № вывода Сигнал Примечание
1 shield Вывод для подключения экранирующей оплетки кабеля
2 BOT IN4 Вход (15 В КМОП-логика, вх. сопротивление 10 кОм). Не подключать при использовании ВОЛС
3 ERROR OUT’ LOW - No Error, открытый коллектор (Макс. - 30 В, 15 мА) Задержка - 1мкс, мин. длительность импульса сброса - 8 мкс. Не подключать при использовании ВОЛС
4 TOP IN4 Вход (15 В КМОП-логика, вх. сопротивление 10 кОм)Не подключать при использовании ВОЛС
5 Overtemp. OUT1 LOW - No Error - tDBc< 115 °C открытый коллектор (макс. - 30 В, 15 мА) LOW < 0,6 В, HIGH < 30 В
6 +24V VDC IN Питание 24 В (SKiiP2 - 20-30 В, SKiiP3 - 13-30 В).
7 +24V VDC IN При использовании шины +15Vdc, 24 В не подавать
8 +15V VDC IN Питание 15 В ± 4%.
9 +15V VDC IN При использовании шины +24Vdc, 15 В не подавать
10 GND Общий силовой
11 GND Общий сигнальный
12 Temp. analog OUT Or UDC analog OUT2 UDc при использовании опции «U». 9 В при UDcmax, макс. ток - 5мА. Перенапряжение - 9 В
13 GND3 Общий для аналоговых сигналов
14 I analog OUT SKiiPPACK 2, 3 с подложкой AI2O3 Значение тока (8 В при 100% Ic). Перегрузка (10 В при 125% Ic@25 °c) SKiiPPACK 3 с подложкой AIN Значение тока (8 В при 86% Ic). Перегрузка (10 В при 107% Ic)
В модулях SEMIKRON используются специально разработанные антипараллельные диоды с «мягкой» характеристикой восстановления, обеспечивающей минимальное значение динамических потерь при переключении. Антипараллельные диоды SEMIKRON носят наименование CAL-FWD (Controlled Axial Lifetime). Прямое падение напряжения этих диодов имеет положительный температурный коэффициент, что упрощает их параллельное соединение. При разработке диодов CAL особое внимание уделялось оптимизации соотношения таких параметров, как прямое падение напряжения VFWD, заряд обратного восстановления Qrr и характеристика обратного восстановления dIrr/dt, поскольку они оказывают решающее влияние на потери, вносимые диодом.
Динамическая токовая балансировка достигается симметричностью силовых и сигнальных связей и использованием раздельных шин питания, как это сделано в полумостовых модулях SKiiP. Конструкция и параметры этих модулей позволяют соединять их в параллель и получать при этом хорошее распределение токов.
Одним из основных требований, предъявляемых к высоковольтным модулям, является требование выдерживать без повреждения большие значения di/dt, возникающие при переключении. Соответственно, модуль не должен выходить из строя от перенапряжений, создаваемых на паразитных индуктивностях линий связи за счет di/dt. В модуле, рассчитанном на ток 1200 А и напряжение 3300 В, установлено параллельно шесть 200-амперных кристаллов. При включении на каждый из транзисторов воздействует di/dt = 800 A/мкс (4800 А/мкс на модуль). При этом ток обратного восстановления не превышает 125 А за счет «мягкой» характеристики восстановления диодов CAL. Кроме уменьшения значения перенапряжения, низкое значение тока обратного восстановления позволяет получить и более низкие потери включения.
«Мягкая» характеристика восстановления диодов и низкая индуктивность подводящих шин позволяют снизить пики напряжения и потери при выключении. На рис. 5 показаны потери полумостового каскада при включении, при выключении и потери, вносимые антипарал-лельными диодами.
Благодаря низким значениям динамических потерь и отличным конструктивным характеристикам, позволившим получить минимальные значения паразитных индуктивностей, модули SKiiP3, рассчитанные на напряжение 1200/1700 В, можно использовать без снабберов.
Устройство управления
Встроенный в модуль SKiiP драйвер выполняет все функции, необходимые для безопасной работы модуля, производя постоянный мониторинг выходного тока, напряжения силовой шины питания и температуры модуля.
Токовые сенсоры выполнены в виде короткозамкнутой петли в линиях переменного тока. Они используются для формирования аналогового сигнала, пропорционального выходному току и для работы схемы защиты при перегрузке. Скорость выключения транзисторов при срабатывании защиты зависит от уровня тока перегрузки и регулируется драйвером так, чтобы ток в процессе срабатывания защиты не превышал значений, обусловленных требованиями RBSOA — области безопасной работы.
Драйверы модулей SKiiP имеют аналоговые выходы, сигналы на которых пропорциональны току, температуре модуля или напряжению силовой шины питания. Эти сигналы поступают на управляющий про-
Компоненты и технологии, № 1'2003
Таблица S. Параметры питания драйверов модулей SKiiP
Параметр SKiiP2 SK^
Напряжение источника 24 В (нестабилизированное) 20-30 В 13-30 В
Напряжение источника 15 В (стабилизированное) 1S В Не требуется при использовании источника 24 В
Вых. ток источника 15 В (может использоваться при подключении источника 24 В) < S0 мA < 50 мА
Предельный (пиковый) ток внешнего источника 15 В 1,S A -
Предельный (пиковый) ток внешнего источника 24 В 1,5 A 1,5 А
Время включения источника 15 В < 50 мс -
Время включения источника 24 В < 50 мс -
Время задержки включения силового питания 130 мс 150 мс
Примечание: не допускается подача входных сигналов до включения источников питания Таблица 9. Различия между схемами управления модулей 2 и 3 поколения
Параметр SKiiP2 SK^
Напряжение питания 20-30 В нестабилизированное; 15 В, стабилизированное 13-30 В нестабилизированное
Мониторинг напряжения насыщения Vcesаt, защита от выхода из насыщения РЕБАТ Нет Есть
Защита от пробоя на корпус Есть в конфигурациях GD, GH Нет
Мониторинг тока каждой фазы Нет Есть в конфигурации GD
цессор и могут быть использованы для анализа состояния системы.
Для гальванической развязки входных цепей со схемой управления затворами в драйверах SEMIKRON используются импульсные трансформаторы. Изоляция выполнена в соответствии с требованиями стандарта EN50178. Напряжение изоляции конкретного модуля зависит от предельного рабочего напряжения Vccmax.
В таблице 8 изложены требования к низковольтным источникам питания драйверов модулей SKiiP.
Ток, потребляемый драйвером SKiiP, зависит от уровней напряжения питания, частоты переключения, типа силовых кристаллов, выходного тока. В документации на каждый модуль приводится формула, позволяющая рассчитать ток потребления в зависимости от условий эксплуатации. В общем случае энергопотребление драйверов модулей третьего поколения ниже, чем второго, т. к. в SKiiP3 используется импульсный усилитель токового сигнала в датчике тока.
На рис. 6 приведена структура полумостового драйвера SKiiP. Модуль, содержащий 3-фазный мост IGBT, имеет 3 аналогичных драйвера. Различия между схемами управления модулей 2 и 3 поколения изложены в таблице 9.
Драйверы модулей SKiiP осуществляют следующие защитные и сервисные функции:
• защиту от сквозного тока и формирование времени задержки переключения транзисторов полумоста tdt;
• фильтрацию коротких импульсов;
• нормирование фронтов входных сигналов;
• ограничение уровня входных сигналов;
• защиту от падения напряжения источников питания (UVLO);
• защиту от импульсных перенапряжений и инверсии напряжения питания;
• защиту от перегрева;
• защиту от перегрузки по току и короткого замыкания (КЗ);
• защиту от выхода из насыщения каждого силового ключа (SKiiP3);
• защиту от пробоя на корпус (SKiiP2);
• защиту от перенапряжения по силовой шине питания (опция для SKiiP2; стандарт для GD-SKiiP3).
Защитные функции SKiiP
Область безопасной работы (ОБР или SOA — safe operating area) определяет допустимые сочетания токов и напряжений, при которых не нарушается безопасная работа
модуля. Поэтому желательно, чтобы схема защиты ограничивала режимы не по предельному току, а по параметрам области безопасной работы. Для интеллектуальных модулей обычно задается 2 вида области безопасной работы — ОБР для режима короткого замыкания (Short Circuit SOA — SCSOA) и ОБР для импульсного режима (Switching SOA — SSOA).
SSOA задает ограничения на ток и напряжение, одновременно действующие на модуль при выключении. В модулях SKiiP исключены многие недопустимые сочетания за счет алгоритма работы драйвера и настройки схемы защиты. Безопасным считается режим, когда напряжение питания не превышает определенного для модуля напряжения источника питания (VCC), а перенапряжение при выключении не превышает предельного значения напряжения коллектор-эмиттер (VCES).
Защита от перенапряжения на силовой шине питания имеется в модулях SKiiP2 в качестве опции (U) в конфигурациях GB, GD, GH и в стандартном исполнении SKiiP3 GD. Измерение силового напряжения производится дифференциальным усилителем с высоким входным импедансом (не менее 5 МОм). Крутизна преобразования выбирается таким образом, чтобы аналоговое напряжение на выходе Analog DC-link voltage-sense равнялось 9 В при напряжении на шине питания:
• 400 В в модулях с рабочим напряжением 600 В;
• 900 В в модулях с рабочим напряжением 1200 В;
• 1200 В в модулях с рабочим напряжением 1700 В.
Погрешность преобразования не превышает 2%, на выходе преобразователя установлен фильтр низких частот с постоянной времени 500 мкс. Схема измерения изготавливается и тестируется в соответствии со стандартом безопасности EN50178.
Индукционный датчик тока SKiiP (трансформатор тока) устанавливается в линии переменного тока каждого полумоста. Трансформаторы тока изготавливаются по компенсационной схеме (см. рис. 7). Измерительная обмотка выполнена в виде витка в зазоре сердечника с высокой проницаемостью. Магнитное поле внутри измерительной обмотки компенсируется с помощью двух компенсационных обмоток. Благодаря такой схеме включения повышается помехозащищенность датчика тока и достигается хорошая термостабильность. Для выработки компенсационного тока в датчиках SKiiP 3 используется модулятор ШИМ, благодаря чему значительно снижается потребление по сравнению с датчиками SKiiP2, где применена линейная схема компенсации.
В таблице 10 приведены параметры датчиков тока модулей SKiiP.
Если ток нагрузки достигает значения 125% от допустимого значения, отключаются все силовые транзисторы, сигналы управления игнорируются. Драйвер формирует сигнал неисправности, выход ERROR OUT (открытый коллектор) принимает уровень логической единицы.
Компоненты и технологии, № 1'2003
Таблица 11. Mинимальные уровни рабочих напряжений
Таблица 10. Параметры датчиков тока модулей SKiiP
Параметр SKiiP2 SKiiP3
Коэффициент трансформации 1:2000 1:3000
Максимальный ток @ Та = 45°, А^ 200 400
Максимальный ток кратковременный (2 с) @ Та = 45°, А^ 250 500
Максимальный ток пиковый (10 мкс), А 3000 3000
Линейность, не более, % 0,1 @ I < 420 A 0,1 @ I < 700 A
Ошибка измерения @ Та = 25°, I = 1с, % 2 2
Температурный дрейф измерения, ррт/°С 100 50
Диапазон частот, кГц 200 150
Время реакции, не более, мкс 1 1
Выходное напряжение схемы измерения тока, В (1с = 1спот) B* B*
Выходное напряжение схемы измерения тока, В (1с = 1,25 % 1спот) 10* 10*
* Примечание: крутизна схемы измерения тока модулей БКпРЗ с платой ЭБС из нитрида алюминия отличается от приведенной в таблице и указывается в технических характеристиках
Драйвер SKiiP различает два пороговых значения тока — ток перегрузки (100% Ic), начиная с которого производится анализ неисправности и формируется контрольный сигнал, и ток КЗ, по которому происходит отключение. После возникновения состояния перегрузки напряжение на затворе снижается, что приводит к ограничению тока коллектора. Затем, если состояние перегрузки не прекращается, напряжение на затворе снижается до нуля. При этом снижение напряжения на затворе производится по определенному закону. Такое «мягкое» отключение необходимо для уменьшения значения di/dt и снижения переходного перенапряжения при выключении.
Встроенная схема формирования времени задержки переключения (формирователь tdt) исключает одновременное открывание транзисторов полумоста и блокирует переключение полумоста на время tdt, необходимое для окончания переходных процессов и исключения сквозного тока. Это время зависит от конкретного типа примененных силовых кристаллов и может регулироваться внешним резистором.
Датчик температуры модулей SKiiP представляет собой полупроводниковый термистор с пропорциональной характеристикой (PTC). Выходное аналоговое напряжение схемы измерения температуры Uta на выводе Temp. Analog OUT описывается примерной зависимостью:
Uta = 2 + °,1 X ^DBC
Датчик устанавливается на плату ЭБС рядом с силовыми кристаллами ЮБТ, он изолирован от токоведущих шин. При достижении
температурой датчика значения 115±5 °С схема управления отключает силовые транзисторы, выходы Overtemp. OUT и ERROR OUT принимают уровень логической единицы.
Наличие тепловой защиты не может гарантировать, что мощный кристалл не выйдет из строя ни при каких условиях. Кристалл при резком увеличении мощности потерь может перегреться до того, как разогреется основание модуля и термодатчик. Это может произойти, например, из-за сбоя контроллера и повышения частоты коммутации или из-за появления дребезга в цепи управления. В модулях SKiiP перегрев из-за дребезга исключен благодаря наличию импульсного фильтра, не пропускающего импульсы с длительностью меньше 500 нс.
Напряжение питания Минимальный уровень SKiiP2 Минимальный уровень SKiiP3
Напряжение питания входное 24 В 1B,5 В -
Напряжение питания входное 15 В 13,5 В -
Напряжение питания выходное конвертора ЭС-ЭС ± 15 В 13,5 В 13,5 В
Напряжение питания выходных каскадов драйвера - 10 В
Схема контроля UVLO следит за всеми напряжениями, которые подаются на модуль или вырабатываются встроенным конвертором DC-DC. При уменьшении любого из них ниже заданного порога отключаются силовые транзисторы, выход ERROR OUT (открытый коллектор) принимает уровень логической единицы. Минимальные уровни рабочих напряжений приведены в таблице 11.
Для сброса сигнала неисправности необходимо, чтобы исчезла причина, вызвавшая неисправность, и все логические входы модуля находились в состоянии логического нуля в течение времени tRESET, указанного в технических характеристиках.
Канал управления чоппером (SKiiP2 GDL)
Модули SKiiP2 в конфигурации GDL кроме З-фазного моста содержат чоппер, необходимый, например, для работы в режиме динамического торможения. Структурная схема дополнительного канала драйвера приведена на рис. 8. В режиме динамического торможения двухпозиционный контроллер с гистере-зисной характеристикой регулирования вырабатывает сигналы включения и выключения тормозного транзистора в зависимости от напряжения на шине питания. Минимальное время нахождения тормозного транзистора во включенном режиме — З0 мкс. Значения напряжений, при которых происходит коммутация тормозного транзистора, приведены на рис. 8.
Выход ERROR
(Активный уровень — низкий 0.6В, 2.5мА)
RESET »
ВХОД 0 Чоппера
Опция Е: Umax = 730V, Uon = 681, Uoff = 667V Опция U: Umax = 860V, Uon = 802, Uoff = 786V
Рис. S. Структурная схема драйвера чоппера (SKiiP2 GDL)
Компоненты и технологии, № 1'2003
Модуль имеет внешний вход управления чоппером, который может использоваться, например, для разряда накопительных конденсаторов. Приоритет имеет встроенная схема управления, максимальная частота коммутации — 5 кГц. Драйвер управления чоппером осуществляет описанные выше защитные функции, следя за напряжением насыщения и температурой тормозного транзистора, а также за перенапряжением в цепи напряжения питания 15 В.
Включение чоппера возможно в случае, если не сработала защелка схемы защиты. При срабатывании защиты выход ERROR (открытый коллектор оптопары) имеет высокий логический уровень. Для сброса схемы защелки необходимо отсутствие любой неисправности и наличие сигнала сброса RESET в течение не менее 300 мс. Защелка сбрасывается также при отключении питания.
Для питания драйвера служит встроенный конвертор DC-DC, питающийся от нестаби-лизированного напряжения 24 В (20-30 В) или стабилизированного 15 В. При наличии на входе RESET логической единицы конвертор отключается.
ны, и сигнал с термодатчика. Модули SKiiP3, содержащие 3-фазный мост (6-pack), имеют опцию U в стандартном исполнении.
F — возможность подключения ВОЛС (волоконно-оптической линии связи)
При наличии опции F сигналы управления и сигналы неисправности могут передаваться по оптическому кабелю. Адаптер ВОЛС устанавливается на корпусе модуля и подключается к драйверу коротким плоским кабелем. Для подключения используется разъем HFBR-0501 (Hewlett Packard). Приемник HFBR2521 предназначен для сигналов TOP IN, BOT IN. Передатчик HFBR1521 предназначен для передачи сигнала ошибки ERROR.
Рекомендации по применению
Снабберные конденсаторы SEMIKRON рекомендует устанавливать снабберные конденсаторы на выводы силовой шины питания модулей SKiiP2 для снижения уровня переходных перенапряжений. Номиналы конденсаторов для различных применений приведены в таблице 12.
Таблица 12. Рекомендуемые конденсаторы снабберов
Особенности стандартных теплоотводов SEMIKRON
SEMIKRON производит широкую гамму радиаторов, предназначенных для работы с любыми модулями, производимыми фирмой. Они согласованы как по конструктивным параметрам, так и по электрическим характеристикам. Тепловые характеристики радиаторов для различных режимов охлаждения, приводимые в технических данных, предназначены для расчета с учетом параметров датчиков температуры, встроенных в модули.
Для модулей SKiiP, конструктивно объединенных с теплоотводом, в технических характеристиках приводятся данные по тепловому сопротивлению «кристалл — теплосток» Rthjs. При этом температура радиатора измеряется в наиболее нагретой точке.
Согласованность характеристик конструктивных элементов позволяет упростить процесс теплового расчета и повысить его точность. Специалистами SEMIKRON разработана программа автоматизированного теплового расчета SEMISEL [7], позволяющая оптимально подобрать силовой модуль для решения конкретной задачи, а также рассчитать его тепловые характеристики в различных режимах работы. Программа SEMISEL доступна на сайте www.semikron.com.
Опции
U — мониторинг напряжения силовой шины питания
Опция доступна в модулях SKiiP конфигурации GB. При наличии этой опции напряжение, пропорциональное напряжению шины питания, присутствует на выводе 12 сигнального разъема драйвера вместо сигнала схемы измерения температуры. В конфигурации GH, содержащей 2 мостовых драйвера, выдается сигнал, пропорциональный напряжению ши-
Номинал конденсатора Применение ID-код
0,47 нФ - 1000 В SKiiP2 600 В, 1200 В 41046230
0,22 нФ - 1250 В SKiiP2 1700 В 41046220
Соединение шин АС
Выходы шин переменного тока могут соединяться в параллель для увеличения выходного тока. Например, в конфигурации ОН (4 полумоста) допускается объединять выводы соответствующих фаз (и — и, V — V). Для соединения рекомендуется использовать готовые шины:
конфигурация ОВ (мост) — шина 41034390; конфигурация ОВ (3-фазный мост) —
шина 41034400; конфигурация ОВ (2 моста) —
шина 41034410; конфигурация ОН (2 моста) —
2 шины 41034390. При параллельном соединении различных модулей ОВ они должны обязательно подбираться с идентичной группой напряжения насыщения Vf, которая указывается на этикетке модуля.
Защита от статического электричества Каждый модуль БКИР имеет специальную крышку, предохраняющую от повреждения ЭСР. Крышка должна удаляться только после полного подключения модуля.
Подключение силовых цепей Для подключения силовых выводов питания, силовых выходов модуля и накопительных конденсаторов должна использоваться многослойная силовая шина.
Подключение сигнальных цепей Подключение сигнальных цепей осуществляется с помощью стандартного разъема ЭВД41651. Длина соединительного кабеля не должна превышать 3 метра. Кабель должен быть максимально удален от силовых шин. БЕМЖЯОЫ рекомендует использовать экранированный кабель.
Заключение
Использование интеллектуальных силовых модулей особенно целесообразно в области средних и больших мощностей, где конструкционные и технологические проблемы стоят наиболее остро, а эксперименты и макетирование практически исключаются. Наибольшую ценность имеют интеллектуальные модули, представляющие собой законченное схемноконструкторское решение. Модули SKiiP, содержащие трехфазный или четырехфазный мост и каскад динамического торможения не имеют на сегодняшний день мировых аналогов.
Топология силовых шин, соединяющих дискретные модули, соединение драйверов с силовыми модулями — труднейшая задача, и сложность ее возрастает с увеличением мощности. Даже при корректной топологии практически невозможно получить достаточно низкие значения распределенных индуктивностей шин, что приводит к высоким перенапряжениям и снижению надежности изделия. Применение снабберных цепей в таких конструкциях необходимо, а это усложняет и удорожает схему, увеличивает потери. Использование интеллектуальных силовых модулей в законченной конфигурации, в которой все силовые цепи соединены, и драйвер является составной частью конструкции, позволяет избежать всех перечисленных проблем.
Технология pressure-contact, используемая при изготовлении модулей SKiiP, строгий контроль электрических и конструктивных параметров позволяют получить беспрецедентные показатели надежности и практически исключить отказы при любых режимах эксплуатации.
Отличные электрические и тепловые характеристики модулей SKiiP обеспечиваются применением в них новейших кристаллов транзисторов IGBT, изготовленных по технологии NPT, позволяющей резко снизить потери переключения.
Стоимость интеллектуального модуля может оказаться даже ниже суммарной цены набора дискретных модулей и драйвера, особенно с учетом трудозатрат. ИИ
Литература
1. J. Lutz, J. Nascimento, E. Schimanek. A 3300 V 1200 A Integrated Intelligent Power Module with Improved Freewheeling Diode. Semikron Elektronik GmbH.
2. K.Backhaus. Performance of New Compact Power Semiconductor Module Families Featuring Pressure Contact Technology, Proc.
3. PCIM 1999, Part Power Conversion.
4. U. Scheuermann. A Novel Power Module Design and Technology for Improved Power Cycling Capability // Microelectronic Reliability.
2001. 9-10.
5. Usage of SKiiP Systems. SEMIKRON. 28.06.02.
6. С. Флоренцев. Силовые IGBT-модули — основа современного преобразовательного оборудования // Электронные компоненты.
2002. № 6.
7. А. Колпаков. Программа теплового расчета SEMISEL фирмы SEMIKRON // Компоненты и технологии. 2002. № 9.
