Что может быть увлекательней силовой электроники?

Томас ШТокмАйЕр (Thomas STOCKMEiER) Перевод: Андрєй колпаков

Используя опыт некоторых уникальных разработок компании SEMIKRON, одного из ведущих мировых производителей модулей и электронных систем, автор хотел бы на некоторых ярких примерах продемонстрировать значение свойств силовых полупроводников для современного рынка силовой электроники.

Пример 1: БКД! — интегральный интеллектуальный модуль для транспортных применений

Электронные устройства, предназначенные для применения в электромобилях, должны быть компактными, легкими и способными работать в условиях жестких внешних воздействий. Чтобы удовлетворить указанным условиям, компания SEMIKRON разработала и внедрила ряд инновационных технологий. А на их основе было создано семейство интеллектуальных модулей высокой степени интеграции, представляющих собой законченную электронную систему. Блоки SKAI содержат силовой каскад, звено постоянного тока, схему управления и защиты, датчики и контроллер, управляемый по СА^шине.

рис. 1. SKAI-2 — интегральный интеллектуальный силовой модуль для применения в гибридных и электромобилях, а также в сельскохозяйственных и строительных машинах с батарейным питанием

Что может быть увлекательней

силовой электроники?

Автор хотел бы передать молодым инженерам свой энтузиазм и увлеченность силовой электроникой и поделиться опытом, имеющим неоценимое значение при реализации новых проектов.

На рис. 1 показана одна из последних разработок SEMIKRON — интеллектуальный модуль привода вильчатого погрузчика SKAI-2LV, в котором все узлы силовой системы, от чипов MOSFET до микроконтроллера, интегрированы в одном компактном корпусе. Проблема проектирования этого изделия состояла в необходимости выполнения зачастую противоречивых требований, касающихся электрических, механических и тепловых характеристик. При этом для изделий данного класса очень важны высокие показатели надежности и конкурентоспособная цена при больших объемах производства.

Блок SKAI-2 объемом 5,7 л обеспечивает пиковый выходной ток до 400 А при напряжении батареи 160 В. Конструкция, способная работать при вибрационных ускорениях до 12§ и ударах до 100§, может быть установлена непосредственно на ведущую ось транспортного средства. Гарантированный срок службы изделия составляет 20 000 часов при температуре окружающего воздуха от -40 до +85 °С.

Разработка подобного изделия возможна только в том случае, если технические специалисты, отвечающие за проект, обладают большим опытом и глубокими знаниями в области технологий машиностроения, электротехники, электроники и теплотехники, а сама компания владеет современными технологиями и оборудованием. Не менее важно и стремление инженеров решать сложнейшие задачи, связанные с такой разработкой, и их «командный дух».

В результате проведенных исследований специалистам SEMIKRON удалось спроектировать изделие, соответствующее всем предъявляемым требованиям. Низковольтная версия SKAI-2LV производится на базе MOSFET-кристаллов с рабочим напряжением 100-400 В. Следует отметить, что при выборе силовых ключей для транспортных применений доминирующими параметрами является не только сопротивление проводимости MOSFET, но и характеристики их терминалов. Для улучшения контактных свойств вместо традиционных сварных алюминиевых проводников были использованы высокопрово-дящие медные полосковые выводы. Это ре-

шение оказалось очень удачным, и в течение ближайших лет SEMIKRON собирается внедрить его в своей серийной продукции.

Паяные соединения, используемые для установки силовых чипов на изолирующую DBC-подложку, подключения терминалов и соединения подложки с радиатором, — это основной источник отказов компонентов, предназначенных для транспортных применений. Поскольку в «безбазовых» модулях SKAI использован прижимной способ установки DBC-платы на радиатор, основные усилия разработчиков были направлены на поиск надежного метода подключения кристаллов и силовых терминалов. Для этой цели была использована разработанная SEMIKRON инновационная технология низкотемпературного спекания серебряного нанопорошка. Это позволило резко снизить тепловое сопротивление кристаллов, повысить стойкость к термоциклированию и расширить диапазон рабочих температур. Напомним, что температура плавления серебра превышает 900 °С, в то время как припой, используемый ранее для этой цели, плавится при температуре около 250 °С.

Многие важные узлы модуля SKAI, такие как токовые датчики, драйвер затворов и звено постоянного тока, были спроектированы с учетом требований по массо-габаритным показателям изделия. В окончательном виде модуль SKAI соответствует самым жестким требованиям по климатическим и механическим воздействиям, а по плотности мощности он более чем на 30% превосходит все доступные на рынке изделия.

Пример 2: SКiiP4 iPM — интеллектуальный силовой модуль для применений высокой мощности

Более 20 лет назад для одной из первых в мире ветротурбин на основе генератора с постоянными магнитами мощностью 1 МВт компания SEMIKRON разработала интеллектуальный модуль (1РМ) высокой степени интеграции — SKiiP. Благодаря объединению в одном корпусе силовой секции, платы управления и датчиков, стало возмож-

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 1 '2011

Рис. 3. MiniSKiiP 1РМ — миниатюрный интеллектуальный модуль для промышленных приводов мощностью до 15 кВт

ным создать силовой ключ с высшими показателями надежности и плотности тока.

В настоящее время серийно производится уже третье поколение модулей SKiiP 1РМ, активно используемых в силовых электронных устройствах, главные требования к которым — высокая плотность мощности, надежность и функциональная насыщенность. В первую очередь это транспорт и энергетика, а более всего компоненты SKiiP востребованы в преобразователях для возобновляемых источников энергии. Отметим, что более 60 из 120 ГВт мощности, вырабатываемой ветроэнергетическими станциями по всему миру, преобразуется с помощью технологии SKiiP.

Готовится к выпуску 4-е поколение SKiiP 1РМ, компоненты которого в настоящее время проходят квалификационные испытания. На рис. 2 показан самый мощный в мире интеллектуальный силовой модуль 17 класса SKiiP 3600GB12E4 с номинальным током 3600 А. Благодаря использованию новейших кристаллов ЮВТ плотность мощности компонентов 4-го поколения SKiiP удалось повысить почти на 30% без увеличения их габаритов. Этот показатель очень важен для рынка энергетики, так как увеличение плотности мощности позволяет снизить удельную стоимость вырабатываемой электроэнергии.

Благодаря внедрению технологии низкотемпературного спекания для установки чипов на изолирующую подложку в SKiiP4 удалось полностью устранить паяные соединения — главный источник отказов стандартных силовых модулей. Это позволило более чем в 5 раз повысить стойкость этих компонентов к тер-моциклированию и уменьшить суммарное значение теплового сопротивления на 10%. Снижение значения паразитной индуктивности терминалов до 12 нГн и применение режима «интеллектуального» отключения IntelliOff дают возможность безопасно эксплуатировать

модули 17 класса при напряжении DC-шины до 1300 В.

В SKiiP4 применен цифровой драйвер затворов, управляемый по СА^интерфейсу, позволяющему производить мониторинг и запись режимов работы. В схеме управления реализован цифровой принцип передачи данных по дифференциальному каналу, что дало возможность резко повысить помехозащищенность, уменьшить джиттер и сделать временные характеристики устройства независимыми от параметров компонентов и условий работы.

Компоненты 4-го поколения SKiiP соответствуют самым жестким требованиям по внешним воздействиям, что позволяет им с успехом работать в таких сложных применениях, как энергетика и транспорт. Для снижения процента ранних отказов и повышения надежности каждый модуль SKiiP4 проходит испытания в составе реального инвертора при максимальном напряжении на DC-шине, предельной токовой нагрузке и рабочей температуре.

Пример 3:

MiniSКiiP iPM — миниатюрный интеллектуальный модуль для промышленных приводов средней мощности

Первые компоненты серии MiniSKiiP появились более 15 лет назад. Уникальные особенности этих силовых ключей — использование пружинных контактов для подключения силовых и сигнальных цепей и отсутствие базовой пластины. Соединение MiniSKiiP с платой управления и радиатором осуществляется одним винтом за одну технологическую операцию. Указанные особенности сделали модуль MiniSKiiP одним из наиболее популярных элементов компании SEMIKRON: в год их производится несколько миллионов.

Благодаря простоте сборки и отличным техническим характеристикам они широко применяются в серийных промышленных приводах, которые выпускают такие известные фирмы, как SIEMENS, Vacoon, SEW Eurodrive, Schneider и многие другие.

В 2009 году компания SEMIKRON представила «интеллектуальный» вариант MiniSKiiP IPM (рис. 3), снабженный интегрированной схемой управления. Монокристальный драйвер, разработанный с применением инновационной технологии SOI (Silicon On Insulator), лишен главного недостатка серийных микросхем — склонности к защелкиванию и сильной зависимости токов утечки от температуры. Благодаря изоляции активных элементов структуры SOI удалось подавить паразитные триггерные связи и расширить диапазон рабочих температур до 200 °С.

Сегодня разработана 600-В технология SOI, поэтому в модулях 12 класса использовано последовательное соединение высоковольтных каскадов с емкостным делителем напряжения. Входы управления MiniIPM имеют повышенный иммунитет к электромагнитным помехам благодаря близости к чипу микросхемы драйвера и оптимизации трассировки DBC-платы.

На данный момент модуль MiniIPM 12 класса с рабочим током до 70 А является самым миниатюрным интеллектуальным силовым ключом, предназначенным для построения приводов мощностью до 15 кВт. Как было сказано выше, сборка привода, состоящего из модуля, интерфейсной платы и радиатора, производится в ходе одной производственной операции без применения пайки. В ближайшее время пайка чипов будет заменена на низкотемпературное спекание, кроме того, планируется использовать антипараллельные диоды из карбида кремния, что позволит расширить диапазон рабочих температур до 200 °С.

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 1 '2011

www.kit-e.ru