Ipm модуль что это

Ipm модуль что это

По сложности внутренней схемы модуля модули IGBT делятся на две категории: модули IGBT и IGBT IPM/PIM.

IPM — это аббревиатура Intelligent Power Module, которая обычно переводится как «Intelligent Power Module» в китайских документах; IM — это аббревиатура Power Integrated Module, что означает интегрированный модуль питания на китайском языке. На самом деле, ключом к обоим является модуль питания, и IPM можно рассматривать как особый тип PIM. С точки зрения внешнего вида, IPM существенно не отличается от PIM, за исключением того, что там больше контактов. Разница между ними заключается во внутреннем составе цепи.

PIM обычно относится к модулю 6 в 1, который включает в себя выпрямление и DB (активный тормозной переключатель), и, как правило, является модулем 7 в 1. Для модуля IGBT его основной состав состоит из 6-блочного IGBT трехфазного полного моста и соответствующих FWD, DB (1 блок IGBT и 1 FWD), 6 выпрямительных диодов для трехфазной выпрямления; кроме того, могут также включать датчики температуры НТК и резисторы отбора проб для цепей защиты. 7 в 7 в 1 означает, что модуль содержит 7 матриц IGBT, а 1 означает, что несколько матриц собраны в корпус модуля.

IPM не только содержит определенное количество силовых транзисторов, но также включает в себя приводные цепи и полные схемы защиты. Мощность транзисторов не ограничивается 7в1, но также может быть 2в1, 6в1 и т.д.; состав цепи больше похож на мощный MCM или SIP / SOP, который будет упомянут ниже, то есть 7in1 IPM = PIM + схема привода + схема защиты.

Особенности применения интеллектуальных силовых модулей

Современный IPM — это гибридный модуль, содержащий скоростные IGBT-транзисторы, соединенные в определенной конфигурации, схему управления, оптимизированную по характеристикам управления затвора для данных транзисторов, схему защиты от перегрузок и схему индикации состояния. Для надежной работы модуля схема защиты должна уметь анализировать режим перегрузки по току (overload), режим короткого замыкания нагрузки (SC — short circuit), режим пробоя (breakdown), а также падение напряжения управления (UVLO — Under Voltage LockOut) и перегрев (overheat).

Стоимость IPM во всех случаях оказывается выше, чем стоимость набора дискретных комплектующих, способных решить ту же задачу. Однако повышение надежности, упрощение процесса сборки, снижение весо-габаритных показателей несомненно стоят того, чтобы использовать в своей разработке именно интеллектуальный силовой модуль.

Мощностные характеристики выпускаемых модулей

В табл. 1 приведены данные о предельных характеристиках транзисторов, модулей и интеллектуальных модулей, выпускаемых ведущими мировыми производителями. Таблица дает возможность увидеть колоссальный прогресс, достигнутый за последние годы в технологии производства IGBT.

В табл. 2 представлены некоторые типы IPM различных производителей для преобразователей стандартного ряда мощности, данного в 1 столбце.

Мощность, кВт	SEMIKRON	TOSHIBA	Mitsubishi
37	MIG150Q6C (6-pack)

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 таблицах приняты следующие обозначения:

IPM — интеллектуальный силовой модуль; HB — полумост; Single — одиночный модуль; 6-pack — полный трехфазный транзисторный мост и трехфазный выпрямитель; 7-pack — полный трехфазный транзисторный мост с тормозным транзистором и трехфазный выпрямитель; Ic — ток коллектора; Uce — напряжение коллектор-эмиттер.

Конструкция IPM

Интеллектуальные силовые модули (IPM) объединяют в одном устройстве силовой ключ (одиночный, полумостовой или 3-фазный мостовой), драйвер, оптимизированный по сигналам управления, 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 кристалла повышает надежность работы схемы защиты.

IPM представляют собой многослойную конструкцию с эпоксидной изоляцией (в маломощных модулях) или керамической изоляцией (в модулях средней и большой мощности). Медные линии связи элементов модуля напыляются непосредственно на изолятор, что исключает пайку. Элементы схемы управления расположены на печатной плате, которая устанавливается непосредственно на силовой модуль. Эта плата также является многослойной и обычно имеет специальный экран для повышения стойкости к EMI. Один из вариантов конструкции IPM показан на рис. 1.

Область безопасной работы и схема защиты IPM

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. IPM имеют встроенные цепи управления и защиты, что позволяет повысить надежность функционирования по сравнению с обычными модулями.

Для IPM 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 IPM, как правило, исключены многие недопустимые сочетания за счет алгоритма работы драйвера и настройки схемы защиты. Поэтому безопасным для IPM 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).

При коротком замыкании в схеме с нулевым импедансом источника питания ток КЗ определяется только характеристиками силового ключа. SCSOA гарантирует безопасную работу в однократном режиме КЗ принапряжении питания ниже значения VCC, при перенапряжении в цепи коллектор-эмиттер каждого модуля, меньшем VCES, и температуре кристалла ниже 125 °С. Термин «однократный режим КЗ» подразумевает, что количество коротких замыканий ограничено (оно приводится в технических характеристиках) и время между КЗ значительно больше тепловой постоянной времени кристалла.

Как и обычные IGBT-транзисторы, IPM не предназначены для работы в линейном режиме. Встроенный драйвер IPM исключает любую возможность линейного режима работы, отключая силовой транзистор при повышении напряжения насыщения выше допустимого уровня.

На рис. 2 приведена типовая структурная схема одиночного интеллектуального модуля. Схема защиты IPM определяет состояние перегрузки и короткого замыкания (защита RTC), превышения напряжения насыщения, падения напряжения питания (контроль питания и UVLO) и температуру кристалла (датчик перегрева). При отклонении от нормы любого из перечисленных параметров схема защиты отключает силовой транзистор и выдает сигнал неисправности. Модуль может также содержать встроенный супрессор (ограничение) для защиты от импульсных перенапряжений.

При перегреве модуля выше заданного значения датчик температуры, установленный на основании модуля, выдает сигнал неисправности. По этому сигналу схема управления отключает силовые транзисторы.

В полумостовых и мостовых конфигурациях отключаются обычно транзисторы нижнего уровня. Повторное включение произойдет после охлаждения модуля до порога включения. Однако наличие тепловой защиты не может гарантировать, что мощный кристалл не выйдет из строя ни при каких условиях. Кристалл 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 IPM, как правило, используются IGBT со встроенным датчиком тока. Если ток коллектора модуля превышает предельное значение в течение определенного времени, модуль отключается. Наиболее «интеллектуальные» схемы управления различают два пороговых значения тока — ток перегрузки, начиная с которого начинается анализ неисправности и формируется контрольный сигнал, и ток КЗ, по которому происходит отключение.

После возникновения состояния перегрузки напряжение на затворе снижается, что приводит к уменьшению тока коллектора. Затем, если состояние перегрузки не прекращается, через 5–10 мкс 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.

На рис. 3 показаны процессы, происходящие при мгновенном «жестком» и «мягком» отключении. Видно, что во втором случае уровень перенапряжения гораздо ниже.

В современных IPM используется непрерывный мониторинг тока каждого силового ключа и общего тока потребления. Это необходимо для определения всех видов токовых перегрузок, включая пробой на корпус. Состояние КЗ наступает при замыкании нагрузки или сбое контроллера, когда открывающие сигналы поступают на оба плеча полумостового каскада, вызывая сквозной ток. При этом измеряется непосредственно ток силового каскада, а не напряжение насыщения. Если ток коллектора достигает порогового значения ISC, процесс отключения начинается мгновенно.

Однако снижение напряжения на затворе происходит в описанной выше последовательности для уменьшения уровня переходных перенапряжений. Для снижения времени задержки между моментом обнаружения состояния КЗ и моментом отключения в наиболее «продвинутых» IPM используется так называемая схема RTC — схема контроля тока в реальном времени (RTC — real time current control). Это устройство работает параллельно драйверу, «обходя» все стадии его работы в режиме КЗ и снижая время обработки сигнала до 100 нс. Эффект от использования схемы RTC показан на рис. 4. Снижение времени обработки сигнала токовой перегрузки уменьшает ток КЗ и, соответственно, уровень перенапряжения почти в 2 раза.

Применение IPM

Применение IPM по сравнению с обычными модулями намного упрощает задачу разработчику. Как правило, для работы с IPM необходимы один или несколько гальванически изолированных источников питания (или один многоканальный источник) и гальванически изолированный интерфейс для связи с контроллером. Количество вторичных источников питания зависит от конфигурации модуля. Для мощных модулей наиболее рационально использовать отдельный источник для каждого силового ключа. Это позволяет устранить проблемы, связанные с шумами и помехами, создаваемыми мощными токами. Напряжение изоляции вторичного источника должно быть в 2 раза больше, чем предельное рабочее напряжение модуля, а ток должен быть достаточным для питания схемы управления с учетом токов заряда затворов и рабочей частоты. При использовании интеллектуальных силовых модулей бутстрепное питание не рекомендуется, так как пульсации напряжения на бутстрепной емкости могут приводить к сбою в работе схемы защиты.

При разработке изолированного источника питания или использовании готового необходимо обратить внимание на величину паразитной емкости между изолированными частями источника. Емкость более 100 пФ может привести к шумам и сбою в работе драйвера.

Параллельно выводам питания схемы управления должен быть установлен электролитический или танталовый конденсатор.

Конденсатор необходим для фильтрации синфазных помех и обеспечения высоких пиковых токов заряда затвора.

Гальваническая развязка сигналов управления IPM может осуществляться с помощью оптопар, импульсных трансформаторов или волоконно-оптических линий связи. В любом случае, большое значение имеет топология платы. Плата должна быть разведена так, чтобы были минимизированы паразитные емкости между изолированными цепями управляющего сигнала, цепями источников питания, управляющими сигналами каналов. Ниже приведены указания, которыми следует руководствоваться при разработке печатной платы для IPM.

1. Изолируйте гальванически управляющие и контрольные сигналы. Используйте быстродействующие оптопары с высоким коэффициентом подавления синфазного сигнала (CMR). Рекомендуемые параметры: время переключения — не более 0,8 мкс, CMR — более 10 кВ/мкс. Рекомендуемые микросхемы: HCPL4503, HCPL4504, PS2041.
2. Минимизируйте паразитные емкости, используя разнесение проводников или разные слои печатной платы.
3. Используйте изолированные источники питания драйверов каждого силового плеча.
4. Используйте линии связи схемы управления с IPM минимальной длины.
5. Применяйте экранирование. В качестве экрана может быть использован один из слоев платы (см. рис. 5).

Полупроводниковые силовые модули: диод, тиристор, IPM и IGBT

Возможность производства и хранения энергии из возобновляемых источников энергии является важным вопросом, благодаря которому все чаще переходят на электроприводы, заменяющие двигатели внутреннего сгорания, например в автотехнике. Для работы этих и многих других устройств требуются полупроводниковые силовые модули.

Что такое полупроводниковые силовые модули

Силовые модули — это элементы, обычно используемые в схемах, связанных с преобразованием электроэнергии. В эту группу входят такие элементы, как диоды, тиристоры и транзисторы, предназначенные для работы в сильноточных и высоковольтных устройствах.

• IPM – комплексные силовые модули со встроенным драйвером
• диод и диод-тиристор,
• тиристор,
• IGBT.

Сложные условия эксплуатации определяют необходимость использования достаточно крупного корпуса, позволяющего эффективно отводить тепло, выделяющееся при протекании тока большой силы. Часто для этой цели в конструкции корпуса используется и металлическая основа, обеспечивающая хороший тепловой контакт с радиатором. Для передачи мощных токов необходимо использовать винтовые или соединительные клеммы, которыми и оснащены модули. В зависимости от требований имеются решения с одинарными конструкциями, а также более сложные соединения, готовые к непосредственному применению.

В связи с непрерывным прогрессом в области эффективности преобразования энергии, силовые модули нашли широкое применение, например в индустрии электромобилей, являясь элементом схем управления электродвигателями в электромобилях, а также в промышленности – в электроприводах различной мощности. Полупроводниковые силовые модули можно найти во всех видах блоков питания, регуляторов мощности и выпрямителей. Они также являются частью оборудования инверторов или систем накопления энергии. Отвечают за переработку электроэнергии вырабатываемой в турбинах.

Конструкция и характеристики модулей

Тиристорные или диодные модули представляют собой простейшие конфигурации с одним или двумя полупроводниковыми элементами. Возможны разные варианты подключения, в том числе простые диодные модули, соединенные последовательно с общим анодом или катодом. Тиристорные модули могут быть оснащены одним тиристором, двумя в двухтактном исполнении и двойным последовательным соединением или с общим катодом.

Благодаря эффективной системе отвода тепла эти компоненты подходят для работы с токами до 3 кА. А благодаря модульной конструкции такие тиристоры могут быть соединены внутри с диодами. Такие элементы обычно используются в выпрямителях, сварочных аппаратах или двигателях постоянного тока. Примером подключения является модуль СКХ106/12Е от Semikron, с максимальным током 200 А.

Предложение также включает модули с IGBT-транзисторами. Они позволяют коммутировать очень большие токи, в том числе превышающие 1000 А при номинальном запирающем напряжении 6 кВ и даже выше. С их использованием можно создавать схемы с выходной мощностью до нескольких сотен киловатт. Примером решения является модуль SKM600GA17E4, который обычно используется в мощных инверторах или ИБП.

Конструкторские решения в VRF-системах City Multi. Часть 4. Технология Zubadan. Интегральный силовой модуль IPM. Линия управления M-Net.

В наружных блоках серии PUHY-HP, используемых для нагрева помещений с помощью воздуха или воды, реализован процесс 2-ступенчатого сжатия с помощью одного спирального компрессора. Компания Mitsubishi Electric Corporation обладает патентом на технологию регулирования производительности теплового насоса путем парожидкостного впрыска (технология Zubadan). Постоянная теплопроизводительность системы сохраняется при температурах наружного воздуха выше -15 0 C.

Гарантированный для этих систем диапазон рабочих температур наружного воздуха расширен до -25 0 C. При более низких температурах в системе отопления необходимо предусматривать дополнительный источник нагрева (так называемая бивалентная система).

В системе Zubadan увеличен временной интервал между режимами оттаивания теплообменника наружного блока (до 250 мин), что обеспечивает продолжительный непрерывный нагрев. Продолжительность режима оттаивания сокращена до 3 мин.

Функция форсированного нагрева позволяет системе достигать номинальной теплопроизводительности при температуре наружного воздуха -15 0 C всего за 20 мин.

Интегральный силовой модуль IPM

Силовой каскад, управляющий приводом компрессора, — это интегральный силовой модуль IPM, который включает в себя выходные IGBT-транзисторы, микросхему управления, а также цепи защиты по выходному току, по напряжению питания и по перегреву транзисторов.

Применение интегрального силового модуля IPM обеспечивает:

Полупроводниковая микросхема разработана специально для управления силовыми IGBT-транзисторами. В результате снижено количество элементов, составляющих модуль, и повышено быстродействие управляющей схемы.

Линия управления M-Net

Сигнал в линии управления M-Net представляет собой постоянную составляю-щую, на которую наложен информационный сигнал. Линия M-Net не только осуществляет обмен данными между наружным и внутренними блоками, но и обеспечивает электропитание некоторых элементов системы. Например, постоянная составляющая необходима для резервного управления расширительными вентилями внутренних блоков. Это означает, что при полностью отключенном электропитании одного или нескольких внутренних блоков наружный блок системы City Multi продолжает управлять расширительными вентилями обесточенных внутренних блоков. Данная особенность имеет очень важное практическое применение для некоторых типов объектов, например для жилых зданий.

Виброиспытания новых моделей перед запуском в массовое производство

Начиная с 2009 года, все новые модели (особенно наружные блоки системы City Multi) перед запуском в массовое производство проходят более жесткое испытание, чем этого требуют японские и европейские стандарты.

Амплитуда вибрации и виброускорение увеличены в 3,2 раза относительно стандартных параметров. Это соответствует перевозке автомобильным транспортом без пневмоподвески на расстояние около 6 000 км по плохой дороге.

Внутренние блоки Р15 (1,7 кВт)

Такой «маленький» блок выпускается в канальном (PEFY-P15VMS1-E), настенном (PKFY-P15VBM-E), а также кассетном (PLFY-P15VCM-E) конструктивном исполнении. Создание внутреннего блока со столь малой номинальной производительностью не являлось сложной инженерной разработкой. Сложность заключалась в том, чтобы наружный блок (в том числе и модульные высокопроизводительные модификации) мог надежно управлять работой даже одного внутреннего блока с такой производительностью. Для этого были модифицированы гидравлические схемы наружных блоков серий YHM и YJM. Данная модификация обеспечивает оптимальное регулирование производительности наружного блока и повышает конкурентоспособность систем City Multi по сравнению с традиционными системами центрального кондиционирования с промежуточным теплоносителем.

Индивидуальный пульт PAR-31MAА

Данный пульт дистанционного управления имеет возможность установки целевой температуры с точностью 0,5 0 С или 1 0 С в зависимости от модели внутреннего блока.

В системах PURY-P (серия R2) пульт PAR-31MAA предоставляет возможность установки двух разных целевых температур для режимов охлаждения и нагрева (в автоматическом режиме). Внутренние блоки, поддерживающие данную функцию, имеют маркировку 2SP на шильде. Встроенное программное обеспечение наружных блоков, выпущенных в феврале 2013 года или позднее, поддерживает данную функцию.

Похожие публикации:

1. Противоаварийная и режимная автоматика что это
2. Как зарядить телефон без прикуривателя
3. Феникс контакт чья фирма
4. Flux в припое что это

Силовые модули Mini-IPM — интеллект и компактность

Серия миниатюрных силовых модулей MiniSKiiP, разработанных компанией SEMIKRON и предназначенных для использования в электроприводах мощностью до 30 кВт, необычайно популярна среди производителей силовой электроники. Об этом свидетельствует тот факт, что доля SEMIKRON на европейском рынке силовых компонентов данного диапазона мощности составляет 46%. Особенностям конструкции силовых модулей MiniSKiiP посвящены, например, статьи [1, 2]. В 2008 году на ежегодной выставке PCIM в Нюрнберге было представлено новое поколение интеллектуальных силовых модулей MiniIPM с интегральным драйвером на основе технологии SOI, полностью исключающей возможность защелкивания.

Введение

Термином «интеллектуальный силовой модуль» (или IPM) в электронике обозначают устройство высокой степени интеграции, объединяющее в одном корпусе или на одном кристалле силовой каскад и схему управления затворами. Драйвер при этом может быть построен на дискретных компонентах или на однокристальной интегральной схеме. Примером первого решения является серия мощных модулей SKiiP компании SEMIKRON с выходным током до 2400 А, имеющих встроенную плату управления, подключаемую с помощью пружинных контактов.

Второй вариант используется в серийных маломощных IPM с током, не превышающим 30 А, и рабочим напряжением 600 или 1200 В. Подобные компоненты производят многие фирмы, и рынок маломощных применений достаточно хорошо освоен, чего нельзя сказать о диапазоне средних мощностей (ток 30-100 А), где выбор интеллектуальных силовых модулей, особенно для промышленных условий эксплуатации, крайне ограничен. Именно на этот рынок ориентирована новая разработка компании SEMIKRON — миниатюрный индустриальный IPM в приводной конфигурации CIB (выпрямитель — инвертор — тормозной каскад) с интегральным высоковольтным драйвером на основе технологии SOI [3].

По мере развития технологий силовой электроники интегральные высоковольтные микросхемы (HVIC) постепенно вытесняют гибридные драйверы в низковольтных интеллектуальных модулях, рассчитанных на ток до 20 А. Преимущества интегральных схем для таких применений очевидны: они надежнее, дешевле и компактнее.

Кроме того, использование HVIC высокой степени интеграции позволяет реализовать больше функций без увеличения стоимости изделия.

Новый IPM был разработан на основе одного из самых популярных продуктов SEMIKRON — миниатюрного «безбазового» силового модуля MiniSKiiP.

В компонентах этого семейства реализованы основные конструкторские инновации SEMIKRON: прижимная технология сборки «pressure contact» и пружинные выводы оригинальной конструкции. В модулях использована керамическая подложка из оксида алюминия Al₂O₃, обеспечивающая напряжение изоляции 2,5 кВ.

Подключение сигнальных и силовых цепей MiniSKiiP осуществляется с помощью пружинных контактов. Допустимый ток одного терминала составляет 20 А, для повышения токовой нагрузки применяется параллельное включение от 2 до 8 пружин. Высокая надежность подобных соединений в условиях механических и климатических воздействий подтверждена многочисленными испытаниями и многолетним опытом эксплуатации [4].

Основное преимущество прижимной технологии SKiiP — это высокая стойкость к термоциклированию благодаря отсутствию паяного слоя большой площади, соединяющего медную базовую плату с керамической подложкой. Монтаж всей сборки производится в одном направлении с помощью одного крепежного винта, что позволяет удешевить и упростить процесс производства, особенно в автоматическом режиме.

На рис. 1 показана конструкция модуля и внешний вид сборки MiniSKiiP с платой управления на основе smd дискретных элементов, размещенных под прижимной крышкой. Прижимной способ соединения обеспечивает равномерный отвод тепла, высокую стойкость к ударам и вибрациям. Преобразователи, созданные с применением модулей данного типа, отличаются высокой плотностью мощности при очень низких массо-габаритных показателях.

MinilPM — принципиальная схема и топология платы

Упрощенная принципиальная схема нового IPM и расположение элементов на изолирующей подложке показаны на рис. 2а и 2б. Модуль имеет стандартную приводную конфигурацию: входной диодный выпрямитель, 3-фазный IGBT-инвертор и тормозной чоп-пер. 7-канальный HVIC-драйвер вырабатывает управляющие импульсы для транзисторов инвертора и чоппера и осуществляет их защиту от токовой перегрузки. Кроме того, на плате расположен термодатчик (терморезистор с характеристикой NTC) для тепловой защиты модуля.

Установка чипов драйвера и резисторов затворов на керамическую подложку осуществляется с помощью теплопроводящего клея. Кристаллы IGBT и диодов имеют паяное соединение с DBC-платой, толщина которой составляет 0,38 мм без учета двухсторонней медной металлизации (+0,2 мм). На верхнем слое расположены токонесущие шины (шаг трассировки 0,8 мм), нижний слой выполняет функции экрана. Топология силовых цепей разработана с учетом обеспечения минимальной распределенной индуктивности для снижения уровня переходных перенапряжений.

Алюминиевые выводы силовых кристаллов соединяются с шинами посредством диффузионной сварки. Этот же метод применен для подключения контактных площадок HVIC, для чего используются тонкие проводники толщиной 25 мкм (рис. 3а). Выводы микросхемы вместе с проводниками защищаются от воздействия окружающей среды с помощью специального эпоксидного покрытия. Внутренний объем модуля заполнен эластичным силиконовым гелем, что обеспечивает герметичность конструкции и улучшает распределение тепла.

7-канальный интегральный драйвер IGBT

На рис. 3б представлена блок-схема интегрального HVIC-драйвера, имеющего 7 каналов управления затвором, а структура чипа показана на рис. 4. Устройство содержит узлы, необходимые для работы 3-фазного инвертора привода. Четыре независимых канала нижнего уровня ВОТ способны выполнять функцию корректора коэффициента мощности (PFC) и тормозного каскада, все логические входы драйвера совместимы с TTL и 3,3-В CMOS-сигналами.

Схема содержит узел обработки сигнала неисправности, отключающий выходные транзисторы при падении напряжения питания драйвера (защита UVLO — Under Voltage LockOut), при возникновении перегрузки по току, определяемой по сигналу токового шунта на входе ITRIP (уровень срабатывания — 430 мВ), а также при подаче внешнего сигнала на вход /IN_ERR. Опорные напряжения для работы схемы мониторинга UVLO и схемы сброса интегрированы в выходные и выходные каскады каждого канала верхнего уровня (ТОР).

Двунаправленный вывод /RESET формирует статусный сигнал о готовности модуля к работе после включения питания и инициализации. Он же может быть использован контроллером для сброса и перезапуска HVIC-драйвера, входы управления которого совместимы с TTL и 3,3-В КМОП-логикой.

Выходы управления затворами обеспечивают ток включения/выключения 500/660 мА при напряжении 15 В, что достаточно для управления MOSFET/IGBT-транзисторами с током коллектора до нескольких десятков ампер. Драйвер может работать при напряжении питания в диапазоне 10-17 В, время задержки сигнала составляет около 300 нс.

Каждый из каналов ТОР имеет отдельную схему сдвига потенциала и формирования «мертвого времени», а также узел UVLO для мониторинга рабочих напряжений верхнего плеча. Такая возможность особенно полезна в том случае, когда питание производится с помощью бутстрепных конденсаторов.

На рис. 4 представлена топология чипа 7-канального 801-драйвера. Площадь кристалла составляет около 15 мм2. На рисунке выделены высоковольтные элементы каскадов сдвига уровня каналов ТОР (НУ БМ08-тран-зисторы и НУ-диоды) и выходные каскады схемы управления затворами.

Концепция усовершенствованного каскада сдвига уровня

В широко применяемых в настоящее время интегральных драйверах с напряжением 600 и 1200 В для разделения входных и выходных каскадов используются схемы сдвига уровня, построенные на базе высоковольтных р-n-струк-тур. Необходимо отметить, что возможности сдвига потенциалов с помощью полупроводниковых переходов крайне ограничены. Отрицательные переходные перенапряжения, наводимые при коммутации токов в паразитных индуктивностях силовых цепей, приводят к защелкиванию паразитных триггерных структур, неизбежно присутствующих в выходных каскадах однокристальных драйверов. Этот вопрос полностью не решен до сих пор, в первую очередь, из-за низкой устойчивости каскадов сдвига уровня.

Производители интегральных схем управления затворами MOSFET/IGBT пытаются частично решить проблему, используя так называемые структуры с подавлением не основных носителей, однако даже они не позволяют полностью исключить защелкивание, возможность которого сохраняется при высокой скорости коммутации. Кроме того, диапазон рабочих температур HVIC-микросхем ограничен на уровне 150 °С из-за резкого возрастания токов утечки смещающих р-n-переходов при нагреве, в то время как современные силовые ключи способны работать при температурах до 175 °С и выше.

Высоковольтная базовая технология SOI-CMOS [6] обеспечивает абсолютное подавление эффекта защелкивания, поскольку все активные элементы структуры SOI имеют диэлектрическую изоляцию. CMOS-каскады нижнего и верхнего уровня, построенные на базе квазимонолитных транзисторных ячеек, расположены на изолированных кремниевых «островках», разделенных зонами LOCOS (local oxidation of silicon) — защитными слоями оксида кремния. Еще одним важным достоинством SOI-структур являются крайне низкие токи утечки, в результате рабочая температура интегральных схем, построенных на основе такой топологии, может достигать 200 °С.

Схема сдвига канала BOT

Упрощенная принципиальная схема каскада сдвига уровня (канал управления транзистором нижнего плеча) показана на рис. 5а. Она состоит из двух независимых комплементарных цепей передачи сигнала, позволяющих осуществлять сдвиг в область положительных и отрицательных напряжений. В отличие от обычного статического CMOS-каскада, схема дополнена высоковольтными диодами в каждом из каналов. В понижающем/повышающем тракте используется две перекрестных параллельных ветви, способных работать в триггерном режиме.

Благодаря полной диэлектрической изоляции каждого компонента схемы эффект защелкивания в данном устройстве полностью исключен. Вследствие этого, а также за счет очень высокой степени защищенности затворных цепей от внешних влияний, присущей технологии SOI, каждый из узлов цепи может работать практически при любом потенциале. Максимально допустимое напряжение смещения в данном случае отграничено только напряжением пробоя MOSFET-транзисторов. В зависимости от перепада напряжения между входными и выходными цепями драйвера (Voffset = Vvs_sek — Vs) схема сдвига верхнего (Voffset ≥ 0V) или нижнего уровня (Voffset ≤ 0V) передает входной сигнал на выходные каскады и далее на управляемые затворы. Неактивная цепь блокируется с помощью обратно-смещенных диодов.

Схема сдвига канала ТОР

Упрощенная принципиальная схема каскада сдвига уровня в тракте управления транзистором ТОР показана на рис. 5б. Как и в предыдущем случае, она состоит из двух комплементарных каналов верхнего и нижнего уровня. Проблема заключается в том, что не существует достаточно хороших p-MOS транзисторов с напряжением пробоя, превышающим 600 В. В приведенной схеме для передачи импульсного сигнала используется высоковольтный n-DMOS транзистор и два высоковольтных диода (HV diodes), блокирующих обратное напряжение в канале сдвига нижнего уровня. Передача сигнала осуществляется в импульсном режиме, что позволяет минимизировать уравнительные токи и мощность рассеяния. Однако для практической реализации в этом случае требуются более сложные каскады формирования и восстановления сигнала, чем в канале BOT. Дифференциальная схема, содержащая две цепи в одном канале сдвига уровня, обеспечивает максимальную надежность трансформации и хорошее качество восстановления импульсов управления, а также высокий иммунитет к наводкам со стороны силовых цепей.

Моделирование тепловых режимов

Одним из наиболее интересных конструкторских решений, использованных в новых модулях серии MinilPM, является прямое подключение чипа драйвера на керамическую подложку. Это позволяет обеспечить его эффективное охлаждение и повысить рабочую частоту устройства управления. Для анализа процесса отвода тепла, выделяемого чипом, была создана SD-модель, включающая SOI-структуру, слой теплопроводящего клея, керамическую DBC-плату и радиатор.

На рис. 6 показано распределение тепла в теле HVIC-драйвера при мощности рассеяния 1 Вт. Как видно на рисунке, основные зоны нагрева создаются выходными каскадами драйвера. Граничное условие моделирования — это поддержание температуры радиатора на уровне 85 °C. Анализ показал, что максимальная температура чипа (выход драйвера в нижнем правом углу) достигает значения T_jmax = 89 °C. Таким образом, тепловое сопротивление «кристалл — радиатор» для данной конструкции составляет R_th(j-s) ≈ 4 °С/Вт. Столь низкое значение R_th(j-s) достигнуто благодаря хорошей тепловой связи HVIC-кристалла и радиатора, которую обеспечивает керамическая подложка.

Результаты измерений

Для анализа динамических характеристик MinilPM были проведены испытания модуля, содержащего кристаллы 3-го поколения IGBT Trench 3 (600 В/50 A) и диоды CAL 3. Эпюры режима переключения, полученные при напряжении питания V_DC = 400 В, представлены на рис. 7.

Суммарное значение коммутационных потерь E_tot = E_on + E_off = 4,5 мДж оказалось несколько выше справочного значения для базового модуля MiniSKiiP (3,2 мДж @ 150 °C), которое было получено при использовании внешней дискретной схемы управления. Причина этого — в меньшем выходном токе интегральной схемы НУІС (500 мА/650 мА для режима включения/выключения). Для снижения уровня потерь драйвер следующего поколения будет модифицирован для повышения выходного тока до 1 А, что может быть достигнуто без существенного увеличения размера чипа.

На рис. 8б приведены эпюры, полученные в ходе стандартного 2-импульсного теста, проведенного при двойном номинальном токе коллектора IGВТ нижнего плеча. Подача двойного импульса регулируемой длительности на транзистор, нагруженный на цепь КЗ с нормированной индуктивностью L_SC, позволяет проконтролировать все основные динамические характеристики ключа и антипараллельного диода, включая устойчивость к электромагнитным помехам, поэтому данный вид испытаний используют практически все производители силовых модулей.

Испытания проводятся в такой последовательности: во время подачи первого отпирающего импульса энергия запасается в индуктивности L_SC. После запирания транзистора ток протекает через оппозитный диод, что приводит к появлению отрицательного переходного сигнала на выходе драйвера. Второй импульс включения подается на вход драйвера сразу после первого, при этом опорное напряжение выходного каскада схемы управления имеет минимальное значение. Критерии надежности работы в этом случае — неискаженная передача сигнала включения затвора и отсутствие задержек.

Наиболее важным косвенным параметром, позволяющим определить стойкость к EMI, является длительность фронта второго импульса, поскольку его положение соответствует максимальному уровню генерируемых шумов. Очень интересен вопрос о возможности сбоя в работе каскада сдвига нижнего уровня канала управления ТОР при большом значении dV/dt Проведенные испытания показывают стабильную работу схемы передачи сигнала при всех тестовых условиях эксплуатации: не было выявлено ложных срабатываний ни при возмущениях входного сигнала, вызываемых двойным импульсом, ни сбоев, обусловленных нестабильной работой каскадов сдвига уровня.

Результаты испытаний схемы в режиме КЗ типа 1 (включение на короткозамкнутую нагрузку нормированной индуктивности) представлены на рис. 8а. Как показывают графики, IGBT безопасно выключается с тока самоограничения 350 А, при этом уровень перенапряжения на коллекторе не превышает 50 В (V_CEmax = 447 В).

Заключение

В предлагаемой статье представлены результаты разработки интеллектуального силового модуля с интегрированным драйвером затворов, проведенной компанией SEMIKRON. Новый IPM в конфигурациях 6-pack и CIB (рис. 9), рассчитанный на использование в приводах средней мощности, создан на базе одного из самых успешных продуктов SEMIKRON — миниатюрного модуля MiniSKiiP.

В интегральной схеме управления затворами, созданной на основе технологии SOI и новой концепции сдвига уровня, полностью исключена возможность защелкивания и существенно повышена стойкость к наведенным фронтам напряжения обеих полярностей. Эксперименты, проведенные с опытным 7-ка-нальным 600-вольтовым драйвером, показали, что он сохраняет полную работоспособность при смещении до -45 В в канале управления транзистором верхнего плеча и до -20 В в канале управления транзистором нижнего плеча.

Благодаря высокой стойкости к термоциклированию, хорошим тепловым и механическим характеристикам, а также простоте монтажа новый IPM является одним из самых надежных в своем классе компонентов,пригодным для применения в самых тяжелых условиях эксплуатации.

В настоящее время к выпуску готовятся 4 типа модулей MiniIPM с рабочим напряжением 600 и 1200 В, основные параметры которых представлены в таблице. Инженерные образцы и технические характеристики новых компонентов должны быть доступны в IV квартале 2008 года.

Таблица. Основные характеристики MiniIPM

IGBT				Выпрямитель
ТИП	Р, кВт	Vces, B	Схема	IC, A	ICnom, A	ICEsat, B	Rth(j-c), КВт	IFSM, A
SKiiP 25NABI066V1	4	600	CIP	39	30	1,45	1,35	370
SKiiP 26NABI066V1	5,5	600	CIP	59	50	1,45	0,95	370
SKiiP 37NABI066V1	7,5	600	CIP	79	75	1,45	0,75	700
SKiiP 25ACI12T4V1	15	1200	6-pack	72	50	1,85	0,65

1. Колпаков А. MiniSKiiP II — миниатюрные модули для привода // Электронные компоненты. 2004. № 7.
2. Колпаков А. MiniSKiiP II — миниатюрные модули для привода. Часть 2 // Силовая электроника. 2005. № 4.
3. Vogler В., Ro?berg M., Herzer R., Reusser L., Wurm T. 600V Converter/Inverter/pake (CIB) — Module with integrated SOI Gate Driver IC for Medium Power Applications. SEMIKRON Elektronik GmbH & Co KG Germany, TU Ilmenau Germany.
4. Колпаков А. Надежность пружинных контактов в условиях индустриальных сред // Силовая электроника. 2006. № 4.
5. Herzer R., Popp R., Koenig В., Haeupl K. MiniSKiiP II — Benchmark for 600V CIB modules. Proceedings ISPSD 2004, pp. 297-300.
6. Россберг М.. Воглер Б., Херцер Р. Драйверы MOSFET/IGBT технологии SOI с усовершенствованными каскадами сдвига уровня // Компоненты и технологии. 2007. № 12.
7. Ruething H., Umbach F., Hellmund O., Kanschat P., Schmidt G. 600V-IGBT3: Trench Field Stop Technology in 70um Ultra Thin Wafer Technology. ISPSD 2003 Proce edings, pp. 63-66.

Сила и интеллект (еще раз об интеллектуальности силовых модулей)

Ярким свидетельством прогресса элементной базы силовой электроники является непрерывное увеличение степени интеграции интеллектуальных модулей (IPM — Intellectual Power Module) и повышение уровня их функциональной насыщенности. Современный IPM представляет собой сложное устройство, объединяющее на одном кристалле или в одном корпусе мощный каскад, драйвер и устройство защиты. Основными требованиями, предъявляемыми к силовому интегральному модулю, являются минимальные габариты и низкая стоимость в сочетании с высокой функциональностью, эффективностью и практически абсолютной безотказностью. Вопрос о «необходимом количестве интеллекта» и об уровне ответственности производителей IPM был достаточно подробно рассмотрен автором ранее [1]. В предлагаемой статье речь пойдет о возможностях интеллектуальных силовых ключей, содержащих интегрированные датчики тока, температуры и напряжения.

Основные особенности и номенклатура модулей SKiiP

Интеллектуальные силовые модули семейства SKiiP [2, 3] (SEMIKRON Integrated Intellectual Power) были разработаны компанией SEMIKRON в начале 1990-х годов. Они объединяют в одном устройстве силовой каскад, драйвер, изолированный источник питания, датчики и радиатор. Некоторые конструктивно-технологические решения были реализованы в модулях SKiiP впервые в мире — в частности, это прижимная конструкция без базовой платы и пружинные контакты для подключения платы управления. По уровню функциональной насыщенности, диапазону мощностей и надежности компоненты серии SKiiP не имеют аналогов в мире. Они выпускаются в 3 конфигурациях: полумост, 1-фазный мост и 3-фазный инвертор, диапазон рабочих токов в зависимости от исполнения составляет от 150 до 2400 А.

Базовым элементом SKiiP является полумостовой каскад IGBT (максимальный ток — 600 А), конструкция которого показана на рис. 1а. Практически все электрические и тепловые связи модуля осуществляются за счет прижима, исключением является только паяное соединение кристаллов IGBT и диодов с керамической подложкой. Равномерное давление на DCB-плату и силовые терминалы АС и DC осуществляется с помощью армированной прижимной платы и эластичной прокладки.

Рис. 1.
а) Прижимная конструкция модулей SKiiP;
б) параллельное соединение полумостовых элементов SKiiP

Наращивание тока производится путем параллельного соединения 2, 3 или 4 базовых элементов. На рис. 1б показано, как происходит объединение выходных АС-терминалов (слева) и DC-выводов питания (справа). Обратите внимание на низкоиндуктивную копланарную DC-шину и снабберные конденсаторы, установленные непосредственно на выводы питания элементов SKiiP. Следует отметить, что для надежной работы силовых ключей IGBT во всем диапазоне токов, включая ток короткого замыкания (КЗ), SEMIKRON рекомендует только такой тип снаббера.

Драйверы интеллектуальных модулей SKiiP выполняют все функции, необходимые для их безопасной работы, производя постоянный мониторинг выходного тока, напряжения силовой шины питания и температуры модуля. Соответствующие аналоговые сигналы могут быть использованы для анализа состояния системы и формирования управляющих импульсов. Гальваническая развязка входных цепей осуществляется с помощью импульсного трансформатора в соответствии с требованиями стандарта EN50178.

Этот же трансформатор использован в изолирующем DC/DC-конверторе, вырабатывающем напряжение питания для выходных каскадов драйвера. Его нагрузочные характеристики рассчитаны таким образом, чтобы обеспечить питание схемы управления и защиты, а также встроенных сенсоров.

Допустимые сочетания токов и напряжений, при которых обеспечивается надежная работа модулей, задается областью безопасной работы (ОБР или SOA — safe operating area). В интеллектуальных силовых ключах SKiiP благодаря наличию сенсоров, контролирующих основные режимы работы, существует возможность управления схемой защиты не по предельным электрическим параметрам, а по граничным величинам, заданным ОБР. Правильно «адаптированная» схема управления затворами, получающая оперативную информацию от датчиков, обеспечивает надежную работу силового ключа и всей системы, содержащей управляющий контроллер и исполнительный механизм.

Датчик тока

Сигнал, вырабатываемый встроенным датчиком тока, необходим для управления системой, кроме того, его использование позволяет повысить надежность работы схемы защиты от перегрузки и сократить время анализа аварийного состояния. Для корректной работы привода погрешность измерения тока (включая температурный дрейф) не должна превышать 1–2%.

Токовый датчик должен сохранять работоспособность во всем диапазоне рабочих токов, включая режим КЗ. В зависимости от технологии IGBT, ток короткого замыкания I_SC (Short Circuit Current) может превышать номинальное значение I_C в 5–10 раз. Кроме того, для обеспечения стабильности контура регулирования от схемы измерения тока требуется минимальное время отклика иширокая полоса пропускания (желательно, чтобы частота среза была не менее 100 кГц).

Резистивные токовые шунты, применяемые для измерения небольших токов (как правило, не более 30–50 А), не могут быть использованы в модулях, подобных SKiiP, из-за неоправданно высоких потерь проводимости и отсутствия гальванической изоляции. В диапазонах мощностей, составляющих десятки и сотни киловатт, наиболее подходящими являются изолированные электромагнитные датчики, например, основанные на эффекте Холла. Недостатком данных сенсоров является плохая температурная стабильность и высокая погрешность измерения. Для повышения точности и термостабильности в модулях SKiiP применяются индукционные измерители тока компенсационного типа, интегрированные с выходными АС-терминалами полумостовых элементов (рис. 1а).

Рис. 2. Компенсационный датчик тока модуля SKiiP

Конструкция датчика тока SKiiP показана на рис. 2, а основные параметры приведены в таблице 1. Усиленный сигнал сенсорной обмотки (она расположена в зазоре сердечника с высокой магнитной проницаемостью) используется как сигнал ошибки для выработки компенсационных токов, подаваемых на первичную и вторичную обмотки. Применение для этой цели широтно-импульсной модуляции позволяет значительно снизить потребление тока по сравнению с линейной схемой компенсации.

Параметр

SKiiP 2

SKiiP 3

Максимальный ток при Ta = 45°, Arms

Максимальный ток кратковременный (2 с) при Ta=45°, Arms

Максимальный ток пиковый (10 мкс), А

Диапазон частот, кГц

Время реакции, не более, мкс

Выходное напряжение схемы измерения тока, В (Ic = Icnom)

Выходное напряжение схемы измерения тока, В (Ic = 125%Icnom)

Примечание. Крутизна схемы измерения тока модулей SKiiP3 с платой DBC из нитрида алюминия AlN отличается от приведенной в таблице и указывается в технических характеристиках.

Падение напряжения, создаваемое током компенсационной обмотки I_S на измерительном резисторе, является выходным сигналом датчика тока. Его обработка и нормирование производится специализированной интегральной схемой, входящей в состав платы управления SKiiP.

Точность измерения тока зависит от таких факторов, как:

• погрешность преобразования электронной схемы датчика;
• разброс номиналов измерительного резистора;
• погрешность преобразования электронной схемы SKiiP (напряжение смещения операционного усилителя и его дрейф, разброс номиналов пассивных компонентов);
• температурный дрейф схемы измерения.

Максимальная ошибка измерения тока ΔI может быть определена с помощью следующего выражения:

где I_C — номинальный ток модуля; K_io — относительное смещение (0,35% для SKiiP 2 и 0,13% для SKiiP 3); K_ierr — нелинейность коэффициента преобразования (1,5% для SKiiP 2 и SKiiP 3); TC_err — температурный коэффициент напряжения смещения (0,001%/К для SKiiP 2 и 0,002%/К для SKiiP 3).

Наличие интегрального датчика тока позволяет сократить время реакции и повысить надежность работы схемы защиты от перегрузки, что особенно актуально для современных тонкопленочных технологий IGBT. Снижение размера кристаллов и соответствующее уменьшение их теплоемкости препятствует быстрому рассеиванию огромного количества энергии, выделяемой в режиме КЗ. Именно поэтому допустимое время нахождения в состоянии перегрузки (Short Circuit Rated Time) для новых поколений IGBT сократилось с 10 до 6 мкс.

В интеллектуальных модулях SKiiP реализована идеология защиты от перегрузки потоку, названная ОСР (Over Current Protection). Для работы схемы ОСР используется 2 сигнала: напряжение насыщения V_CEsat силового транзистора и выходное напряжение датчика фазного тока, в результате чего драйвер SKiiP способен отключить IGBT уже через 2–3 мкс после обнаружения аварийного состояния. Данная защита обеспечивает безопасный режим выключения, снижение уровня переходных перенапряжений и увеличение допустимого количества срабатываний защиты от КЗ (модули SKiiP рассчитаны на 1000 аварийных отключений в течение срока службы).

Схема управления SKiiP различает два пороговых значения тока — предельное номинальное (100% I_C), начиная с которого производится анализ неисправности и формируется контрольный сигнал, и ток перегрузки (125% I_C). После обнаружения аварийного состояния напряжение на затворах снижается, что приводит к ограничению I_C. Если ток превышает номинальное значение более чем на 25%, отключаются все силовые транзисторы, сигналы управления игнорируются. Драйвер формирует сигнал неисправности, выход ERROR OUT (открытый коллектор) принимает уровень логической единицы.

Графики, приведенные на рис. 3, демонстрируют отличие общепринятого способа отключения транзисторов IGBT по выходу из насыщения (в англоязычной литературе он называется DESAT от англ. desaturation) и защиты ОСР. Скорость нарастания тока короткого замыкания (dI_SC/dt) ограничена распределенной индуктивностью выходной цепи LS в соответствии с соотношением V_DC = L_S×dI_SC/dt. Максимальное достижимое значение ISC (10 кА на рис. 3) зависит от напряжения на затворе и уровня «самоограничения» тока, определяемого технологией IGBT.

Рис. 3. Сравнение защиты от перегрузки по току ОСР и DESAT

Самым опасным режимом является КЗ непосредственно на выходе модуля, при котором «внешняя» паразитная индуктивность минимальна («внутренняя» индуктивность L_CE является характеристикой силового ключа, ее значение, как правило, приводится в спецификациях). Графики показывают, что для модуля SKiiP 1513 GB 172 ток отключения при L_S = 0,5 мкГн может достигать 7 кА, в то время как при использовании схемы ОСР он не превышает 4,5 кА. При величине L_S, превышающей 1 мкГн (КЗ на стороне нагрузки), ток выключения снижается до 4 и 2 кА соответственно.

Датчик температуры

Для измерения температуры силовых модулей и их защиты от перегрева применяются различные виды датчиков, наиболее распространенными из которых являются терморезисторы с отрицательным (NTC) и положительным (PTC) температурным коэффициентом.

В силовых ключах, производимых компанией SEMIKRON, устанавливаются кремниевые PTC чип-сенсоры типа SKCS, которые используются для мониторинга температуры и тепловой защиты силовых кристаллов модуля. Электронная схема драйвера преобразует сопротивление датчика в аналоговый сигнал, изменяющийся в диапазоне 0–15 В, при этом погрешность измерения не превышает 3%. При достижении температурой датчика значения 115 ±5 °С схема управления отключает силовые транзисторы, выходы Overtemp. OUT и ERROR OUT (открытые коллекторы) принимают уровень логической единицы.

Соотношение аналогового напряжения U_ta, формируемого драйвером SKiiP на выходе Temp. Analog OUT, и температуры DBC-подложки приблизительно описывается следующей зависимостью:

Термодатчик устанавливается методом пайки на керамическую DBC-подложку модуля рядом с силовыми кристаллами. Благодаря высокой теплопроводности оксида и нитрида алюминия, температура подложки очень близка к температуре радиатора.

Надежность работы схемы защиты от перегрева во многом зависит от положения сенсора внутри силового модуля. Место измерения температуры играет особенно важную роль в случае, когда пороговое значение задается встроенной схемой управления. Для определения оптимального положения термодатчика были проведены специальные исследования, соответствующая тепловая модель показана на рис. 4 (в данном случае анализируется режим воздушного охлаждения).

Рис. 4. Варианты положения термодатчика внутри силового модуля, распределение температуры по поверхности DBC-платы

Как было указано выше, модули SKiiP не имеют базовой платы, их керамическая DBC-подложка устанавливается непосредственно на радиатор. Уровень тепловой связи силовых чипов и датчика меняется в зависимости от его положения, при анализе рассматривались следующие варианты: А (сенсор непосредственно на кристалле IGBT), В и С (сенсор в различных точках DBC-платы), D (сенсор на поверхности радиатора). В каждом варианте установки тепловое сопротивление «кристалл–датчик» R_th(j–r) (именно этот параметр указывается в документации SKiiP) имеет свое значение.

В состоянии теплового равновесия безопасный уровень срабатывания схемы защиты от перегрева может быть однозначно определен для любого из рассматриваемых вариантов. Если, например, температура кристалла T_j не должна превышать 140 °C, то отключение силовых транзисторов следует производить при температуре датчика 120 °C (вариант A), 110 °C (вариант B), 100 °C (вариант C) и 70 °C (вариант D).

Чем выше уровень тепловой связи между источником тепла и сенсором, тем ниже время реакции и меньше влияние системы охлаждения на процесс мониторинга температуры, именно поэтому использование интегрированных термодатчиков всегда предпочтительнее. В то же время при изменении любого параметра системы охлаждения (материал и толщина основания радиатора, температура охлаждающей среды, толщина слоя теплопроводящей пасты и т. д.) приходится корректировать и пороговое значение температуры отключения. Это затрудняет правильный выбор и настройку интегрированной тепловой защиты в интеллектуальных силовых модулях. С данной точки зрения наиболее предпочтительным является использование датчика температуры для мониторинга и формирования соответствующего аналогового сигнала. Порог срабатывания схемы защиты в этом случае должен задаваться внешним контроллером в зависимости от режима работы силового модуля и способа его охлаждения.

Для того чтобы продемонстрировать влияние характеристик тепловой системы на корректность измерения температуры, толщина слоя теплопроводящей пасты была увеличена с 50 до 100 мкм. Сенсор А имеет наилучшую тепловую связь с чипом, следовательно, для этого случая значение теплового сопротивления «кристалл–датчик» R_th(j–r) должно быть наиболее стабильным. Действительно, его увеличение составило всего 3%, в то время как для вариантов В и С наблюдался рост R_th(j–r) на 7–8%. Для случая D, при котором тепловое сопротивление более всего зависит от параметров системы охлаждения, увеличение R_th превысило 25%.

Основным вопросом, который необходимо рассмотреть в данной связи, является возможность использования термодатчика для защиты силовых чипов от перегрева при быстром кратковременном изменении температуры. Каждый вариант установки датчика характеризуется специфической реакцией тепловой системы, которую лучше всего описывать с помощью графиков динамического теплового импеданса Z_th (рис. 5). Сравнение эпюр Z_th(j–r) для разных вариантов размещения сенсора показывает, что тепловая пара «чип–радиатор» достигает установившегося состояния примерно за 1 с, в то время как системе «чип–датчик» требуется до 100 с. Причиной этого является высокая теплоемкость радиатора и медленное распределение тепла в его объеме (измерение температуры радиатора производится в его теле непосредственно под чипом).

Рис. 5. Динамический тепловой импеданс кристалла при различных положениях термодатчика

Для каждого типа силового полупроводника определяется величина мощности P_tot , которую он может рассеять в установившемся состоянии. При изменении мощности рассеяния (например, с 50 до 200% P_tot) температура чипа будет повышаться с определенной постоянной времени. Датчик А зафиксирует заданный порог (120 °С) через 0,19 с, обеспечивая надежную тепловую защиту, а температура кристаллов ни при каких условиях не превысит предельного значения 150 °С.

При той же пороговой величине, определенной сенсорами В и С, перегрев чипов может достигнуть критических величин 160 и 170 °С, поскольку тепловая константа для этих случаев возрастает до 0,3 и 0,4 с соответственно. Задержка при использовании варианта D будет уже более 1 с, следовательно, он менее всего пригоден для защиты силовых ключей от перегрева. Таким образом, для устройств, работающих с большими коэффициентами перегрузки и при низких начальных температурах, использование стандартных термосенсоров в схемах защиты от перегрева не может полностью гарантировать предотвращение перегрева кристаллов.

Анализ основных особенностей тепловых систем, отличающихся различным положением датчика температуры, приведен в таблице 2. Сегодня наиболее предпочтительным считается вариант В, обеспечивающий сравнительно небольшое время реакции и гальваническую изоляцию. Для специализированных интеллектуальных силовых модулей с изолированным интерфейсом, обеспечивающим двунаправленную передачу сигналов, лучшим решением может быть непосредственная установка датчиков на чипы.

А

В

С

D

Хорошая тепловая связь с кристаллами IGBT и FWD

Допустимая тепловая связь с кристаллами IGBT и FWD

Допустимая тепловая связь с кристаллами IGBT, недостаточная с FWD

Низкий уровень тепловой связи

Малое время реакции

Среднее время реакции

Среднее время реакции (большее, чем в случае В)

Низкое влияние системы охлаждения на Rth(j–r)

Имеется влияние системы охлаждения на Rth(j–r)

Имеется влияние системы охлаждения на Rth(j–r) (большее, чем в случае В)

Высокое влияние системы охлаждения на Rth(j–r)

Нет гальванической изоляции

Гальваническая изоляция обеспечивается DBC-керамикой

Гальваническая изоляция обеспечивается DBC-керамикой

Безопасный уровень изоляции

Надежная защита от кратковременных тепловых перегрузок является достаточно сложной задачей. Ее невозможно решить путем ограничения тока, поскольку кратковременные токовые перегрузки в пределах области безопасной работы являются допустимыми. В то же время работа при высоких значениях тока неизбежно ведет к повышению температуры полупроводниковых чипов. Как было показано ранее, высокое время реакции термодатчиков не позволяет организовать абсолютно безопасную защиту от перегрева.

Решением проблемы является одновременное использование сигналов токовых и тепловых сенсоров и организация защиты по определенному алгоритму, исключающему критические перегрузки как по току, так и по теплу. Такую возможность предоставляют IPM высокой степени интеграции, к которым относятся модули SKiiP, имеющие широкие возможности мониторинга режимов. Управляющий контроллер может вычислять реальную температуру чипа T_j на основании сигналов, получаемых с датчиков, и анализа рабочих режимов схемы. Зависимость T_j от времени t_p определяется в соответствии с выражением:

где P_o — мощность рассеивания при t = 0; P_over — мощность рассеивания в режиме перегрузки; Z_th(j–r) — динамический тепловой импеданс (его зависимость от t_p всегда приводится в технических характеристиках); T_r — температура датчика (доступна в виде аналогового сигнала на разъеме Х1 модуля SKiiP).

Мониторинг напряжения DC-шины

Возможность измерения напряжения DC-шины V_DC в ряде случаев необходима для формирования управляющего сигнала контроллера. Такая информация требуется, например, в режиме динамического торможения привода или в тех случаях, когда транзисторы необходимо отключать при достижении напряжением шины критического значения. В модулях SKiiP с опцией U (о чем указывает буква U в обозначении) нормализованный аналоговый сигнал, пропорциональный V_DC, доступен на сигнальном разъеме DIN 41651.

Измерение напряжения шины производится с помощью дифференциального усилителя с высоким входным импедансом. Крутизна преобразования выбирается таким образом, чтобы аналоговое напряжение на выходе Analog DC-link voltage-sense равнялось 9 В при максимальном рекомендуемом напряжении на шине питания V_DCtrip (табл. 3). Погрешность преобразования не превышает 2% при температуре 25 °С.

V_CES, В

V_DC ↔ V_DCanalog

R_in, МОм

V_DCtrip, В

Силовые модули MiniSKiiP IPM — инструкция по эксплуатации

Рост популярности миниатюрных силовых модулей MiniSKiiP, ориентированных на применение в электроприводах средней мощности, обусловлен высокой степенью интеграции, надежностью и простотой прижимного способа подключения. Семейство силовых модулей MiniSKiiP — одна из наиболее успешных в коммерческом плане разработок компании SEMIKRON. Заказчиками этих силовых модулей являются крупнейшие мировые производители: LENZE, Miller Electric, Schneider, SEW Eurodrive, Siemens A&D, Vacon и многие другие. На ежегодной выставке PCIM, проходившей в мае 2009 года в Нюрнберге, было представлено новое поколение силовых модулей MiniSKiiP IPM (рис. 1), его отличие — встроенный интегральный драйвер [1]. Ожидается, что популярность интеллектуальных силовых модулей, сохранивших все преимущества конструктива MiniSKiiP, будет еще выше. Предлагаемая статья посвящена особенностям применения силовых ключей данного типа.

Рис. 1. Внешний вид модуля MiniSKiiP со встроенным интегральным драйвером

Как и у всех элементов класса MiniSKiiP, подключение силовых и сигнальных цепей новых интеллектуальных модулей (Intellectual Power Module, IPM) осуществляется с помощью пружинных контактов, непосредственно соединяющих токонесущие шины керамической DBC-подложки с интерфейсной платой.

Главным отличием компонентов семейства, получившего название MiniSKiiP IPM, является наличие интегрального высоковольтного драйвера затворов, в котором полностью исключен эффект защелкивания во всем диапазоне рабочих токов и температур [2]. Это стало возможным благодаря применению технологии SOI (Silicon On Insulator), впервые внедренной SEMIKRON для компонентов такого типа. Данная технология предусматривает электрическую изоляцию каждого полупроводникового элемента, благодаря чему резко снижается ток утечки и гарантируется подавление паразитных триггерных структур при всех условиях эксплуатации, включая короткое замыкание.

Технология SOI обеспечивает высокий иммунитет к наведенным переходным напряжениям обеих полярностей с уровнями вплоть до напряжения пробоя MOSFET. Все сказанное в сочетании с расширенным температурным диапазоном (теоретически Tj _max достигает 200 °C) позволяет использовать чипы SOI для построения высоконадежных электронных устройств управления затворами.

Интегральный драйвер MiniSKiiP IPM, работающий при напряжении питания 12-17 В, способен управлять тремя верхними и тремя нижними ключами 3-фазного инвертора и чоппером, который может быть использован в качестве тормозного каскада или корректора коэффициента мощности (ККМ). Устройство обеспечивает запрет одновременного отпирания оппозитных транзисторов (функция Interlock). Входы управления совместимы с уровнями логики TTL (5 B) и CMOS (3,3 B), время задержки составляет около 300 нс. Схема защиты драйвера выполняет все базовые функции, выключая выходные транзисторы при снижении напряжения управления (Under Voltage LockOut, UVLO) и перегрузке по току (Over Current Protection, OCP).

При работе маломощных IPM амплитуда коммутационных выбросов обычно не превышает предельных для IGBT значений, поскольку малы величины di/dt и L_S. Однако с ростом мощности уровень переходных перенапряжений растет лавинообразно, делая этот эффект опасным как для силового ключа, так и для драйвера. В модулях серии MiniIPM реализована новая концепция сдвига уровня, гарантирующая защиту схемы управления от наведенных со стороны силовых каскадов перенапряжений обеих полярностей.

Установка чипа драйвера непосредственно на DBC-керамику дает возможность эффективно отводить от него тепло, что особенно важно при работе схемы управления на высоких частотах. При размере кристалла 4,9×3,1 мм величина теплового сопротивления составляет 4 °С/Вт, для сравнения укажем, что при установке аналогичного чипа в корпусе SOP28 значение R_thj_-a) достигает 75 °С/Вт. При выходном токе порядка 1 А это позволяет драйверу эффективно управлять силовым каскадом инвертора среднего диапазона мощности.

Конструктив MiniSKiiP IPM отличается низким значением теплового сопротивления, а по плотности тока его показатели — одни из лучших для данного класса силовых ключей. Благодаря «безбазовой» конструкции и использованию пружинных терминалов он имеет высокую стойкость к термоцикли-рованию и обеспечивает гораздо более высокую временную стабильность характеристик, чем любой стандартный модуль аналогичной мощности. Соединение MiniSKiiP с платой управления и радиатором производится с помощью одного крепежного винта в ходе одной производственной операции, что является важным преимуществом при автоматизированной сборке. Модуль предназначен для применения в приводах мощностью до 15 кВт, источниках питания и UPS, преобразователях солнечных батарей.

Основные особенности MiniSKiiP IPM:

• Интегральный SOI-драйвер: расширенный температурный диапазон, отсутствие эффекта защелкивания.
• Усовершенствованный каскад сдвига уровня.
• Логика 3,3/5 В, LSTTL совместимый интерфейс.
• Согласованное время прохождения сигналов в каналах управления.
• Защита от перегрузки по току по сигналу резистивного шунта.
• Предотвращение сквозного тока (функция Interlock).
• Вход стробирования.
• Защита от падения напряжения управления (функция UVLO).
• Кристаллы 4-го поколения T4 IGBT/CAL 4.
• Встроенный термодатчик NTC.
• Соответствие экологическим стандартам.

Модули MiniSKiiP IPM выпускаются в двух вариантах схем: 3-фазный инвертор и CIB (Converter/Inverter/Brake — выпрямитель/ инвертор/тормозной каскад) и в двух типах корпусов.

Технология прижимного контакта

В основе конструкции выпускаемых в настоящее время силовых ключей лежит медная базовая плата толщиной 2-3 мм, на которой размещается изолирующая керамическая DBC-пластина с чипами IGBT и диодов. При изменении температуры силового ключа в сопрягающихся слоях возникают термомеханические напряжения, вызванные разницей коэффициентов теплового расширения КТР (или CTE — Coefficient of Thermal Expansion). Вероятность разрушения слоя оценивается с помощью так называемого фактора риска, являющегося произведением разницы КТР на площадь контакта. Самая большая проблема возникает при соединении базовой платы и DBC-керамики, имеющем наибольшую площадь. Тепловые стрессы вызывают изгиб элементов конструкции (так называемый «биметаллический эффект») и приводят к постепенному разрушению связей.

Эти напряжения создаются и при производстве модулей в процессе пайки керамики на базу, для их компенсации используется технологический предварительный изгиб медной пластины. Правильно выбранное усилие и радиус изгиба позволяют обеспечить хорошую результирующую плоскостность основания модуля и избежать образования полостей при установке на радиатор. Однако наличие у припоя вязкопластичных свойств приводит к временной релаксации и постепенной деформации, возникающей после пайки. Компенсировать данный эффект не позволяют никакие технологические приемы.

Анализ приведенных выше фактов привел к тому, что в начале 1990-х годов компания SEMIKRON начала производство силовых ключей прижимного типа, конструкция которых не содержит базовой платы. Технология прижимного контакта (pressure contact technology) была внедрена в модулях семейства SKiiP, ставшего одним из самых популярных в секторе высоконадежных преобразователей большой мощности.

Следует отметить, что отсутствие базы приводит к некоторому ухудшению распределения тепла по поверхности радиатора. Однако этот недостаток компенсируется за счет более тонкого слоя теплопроводящей пасты. Поскольку у прижимных конструкций отсутствует биметаллический эффект, толщина слоя может быть уменьшена со 100 мкм (номинальное значение для стандартных ключей) до 20-30 мкм. Очевидно, что при этом предъявляются и более высокие требования к качеству обработки радиатора. Однако преимущества прижимной системы очевидны: меньшая масса, пониженное тепловое сопротивление и высокая стойкость к термоцикли-рованию, простота сборки.

Пружинные контакты MiniSKiiP

Поверхность пружин MiniSKiiP имеет серебряное покрытие, что обеспечивает оптимальные контактные характеристики при давлении на пружину в диапазоне 4-6 Н. Основным критерием выбора материала покрытия контактных площадок печатной платы (PCB) является обеспечение стабильных свойств прижимного соединения в течение срока службы. Специальные ускоренные испытания подтверждают, что контактная пара «пружина — площадка PCB» надежно работает как при традиционных способах металлизации плат (SnPb), так и новых, соответствующих экологическим директивам RoHS [3, 4]. К ним относятся покрытие химическим оловом (Sn) с выравниванием горячим воздухом (Hot-Air-Leveling, HAL) и сплавом никель-золото ENIG (Ni/Au). Наилучшими контактными характеристиками обладает комбинация Ni/Au — посеребренный контакт. При использовании пружинных выводов не рекомендуется применение органических защитных покрытий (OSP, Organic Surface Protection).

При проектировании печатной платы (PCB) и сборке необходимо учитывать следующие факторы:

• Допустимо использование материалов PCB FR4, толщину омеднения необходимо выбирать в соответствии со стандартом IEC 326-3.
• Положение контактных площадок при проектировании платы выбирается в соответствии с чертежом, приведенным в технической документации на модуль, перед монтажом они должны быть абсолютно чистыми, на них не должны располагаться переходные отверстия (vias).
• Не допускается использование химических очистителей и спреев для очистки поверхности пружин.
• Подводящие силовые цепи питания DC+/ DC- должны иметь максимально возможную площадь и быть компланарными. Для обеспечения плоско-параллельности можно использовать слои PCB.
• Максимальная высота компонентов, расположенных под прижимной крышкой, составляет 3,45 мм, они не должны находиться вблизи точек контакта крышки с печатной платой.
• Для обеспечения надежного соединения MiniSKiiP с печатной платой пружинные контакты выступают над поверхностью модуля на 1,1 мм, как показано на рис. 2.

Рис. 2. а, б) Пружинные контакты MiniSKiiP; в) нитевидные кристаллы на поверхности пружины

Пружины изготавливаются из высокотехнологичного сплава К88, разработанного компаниями Wieland Werke и Olin Brass специально для данного способа соединения. Материал К88 отличается большим пределом текучести (550 МПа), хорошей способностью к формованию и изгибу, отличной электропроводностью и высокой временной стабильностью механических характеристик в диапазоне температур до 200 °С. Для стабилизации контактного сопротивления и предотвращения нарастания нитевидных кристаллов пружины пассивируются слоем серебра толщиной 3-5 мкм. Кроме этого, их наружная поверхность имеет защитное покрытие (0,1 мкм, сплав 50-55% Cu, 30-35% Sn, 13-17% Zn), предохраняющее от окисления. В результате принятых мер механические и контактные свойства выводов MiniSKiiP гарантируются в течение всего срока службы.

Для проверки стойкости пружинного соединения к электромиграции и нарастанию нитевидных кристаллов SEMIKRON проводит специальные тесты на воздействие кор-розионно-активной среды (сернистый газ H₂S высокой концентрации). Нитевидные кристаллы представляют собой токопроводя-щие структуры, которые могут расти на поверхности металлов при подаче напряжения смещения. Наиболее часто этот эффект наблюдается на олове и цинке, реже — на серебре и золоте. Наиболее вероятной причиной появления кристаллов считается возникновение сжимающих напряжений. Процессы образования и роста нитевидных кристаллов подробно описаны в [4].

Рост нитевидных кристаллов на серебре, в отличие от других металлов, активизируется в агрессивных средах, что используется для проведения ускоренных испытаний. В результате подобных тестов наблюдается образование кристаллов на внешней поверхности пружинных контактов MiniSKiiP в области изгиба, где толщина защитного покрытия минимальна (рис. 2в).

Пружинные контакты установлены в пластиковом изолирующем корпусе (рис. 2б), и описанный эффект не приводит ни к каким нежелательным последствиям, поскольку минимальное расстояние между контактами намного превышает размер кристаллов. Более того, наличие «нитей» даже несколько уменьшает переходное сопротивление контактирующей пары. Испытания, проводимые в соответствии с условиями, приведенными в таблице 1, подтвердили отсутствие паразитных утечек.

Таблица 1. Испытания на воздействие коррозионно-активной атмосферы

Вид испытаний	Условия испытаний
Предварительная подготовка	48 часов, 25 °С, относительная влажность 75%, 80 В напряжение смещения между соседними контактами
Воздействие коррозионно-активной атмосферы	240 часов, 25 °С, относительная влажность 75%, 80 В напряжение смещения между соседними контактами, H2S концентрация 10 ppm
Критерий отказа	Возрастание тока утечки > 10 мкА

Стабильность электрических характеристик контактной пары подтверждается в ходе специальных тестов сборки модуля MiniSKiiP IPM и тестовой печатной платы в соответствии с условиями, указанными в таблице 2. Для повышения достоверности испытаний перед их началом плата подвергается ускоренному «старению» в течение 1000 ч при температуре 85 °С и влажности 85%, а затем при температуре 150 °С.

Таблица 2. Испытания сборки MiniSKiiP IPM — PCB

Вид испытаний	Условия испытаний	Метод оценки
Хранение при высокой температуре	125 °С, 1000 часов	Измерение контактного сопротивления до и после воздействия
Хранение при высокой температуре и влажности	125 °С, 85% RH, 1000 часов	Измерение контактного сопротивления до и после воздействия
Термоциклирование при пропускании тока	-40…+125 °С, 100 циклов	Непрерывный мониторинг контактного сопротивления
Воздействие агрессивных газов по стандарту IEC 60068-2-60	H2S — 0,4 ppm SO2 — 0,4 ppm NO 2 — 0,5 ppm CL2 — 0,1 ppm 21 день	Измерение контактного сопротивления до и после воздействия
Вибрационные воздействия	Синусоидальная вибрация 5 g; 2 часа по каждой оси	Непрерывный мониторинг контактного сопротивления
Ударные воздействия	Полусинусоидальные импульсы 30 g; ±3 по каждой оси	Непрерывный мониторинг контактного сопротивления

Надежность пружинных соединений подтверждена и многолетним опытом эксплуатации, прежде всего в лифтовых приводах, где чаще всего используются компоненты семейства MiniSKiiP. Достаточно наглядным является тот факт, что сегодня более 300 млн пружин успешно работает в модулях SEMIKRON по всему миру.

Область безопасной работы и тепловые характеристики

Как и для всех силовых ключей, работающих в импульсных режимах, у MiniIPM нормировано количество коротких замыканий (срабатываний защиты) в течение срока службы: оно не должно превышать 1000, а время между КЗ должно быть больше 1 с. На рис. 3 приведены характеристики области безопасной работы для нормального режима переключения и режима короткого замыкания (КЗ). Как показывает график SCSOA (рис. 3б), нормальным для данных модулей считается короткое замыкание при почти полном рабочем напряжении и 10-кратном токе коллектора. Допустимое время, отведенное на анализ состояния КЗ и отключение, у последних поколений тонкопленочных IGBT сокращено с 10 до 6 мкс.

Рис. 3. Область безопасной работы MiniSKiiP: а) для режима переключения; б) для режима короткого замыкания

При тепловом расчете необходимо учитывать способ измерения теплового сопротивления, отличающийся для модулей разной конструкции. Различными бывают и методики нормирования R_th у разных производителей. При исследовании тепловых характеристик MiniSKiiP температура радиатора измеряется на его поверхности рядом с модулем, в точке, максимально близкой к наиболее нагретому кристаллу (IGBT или диода), как показано на рис. 4а. Такой выбор положения датчика температуры теплоотвода является наиболее корректным при исследовании «безбазовых» компонентов («baseless» в англоязычной литературе), у которых значения R-thjj-ή и R_th(_cs) являются «виртуальными» из-за отсутствия теплопроводящего основания корпуса. Для таких модулей физический смысл имеет только сопротивление «кристалл — радиатор» R_thj_-s), а тепловые параметры и непосредственно температура «корпуса» могут быть определены расчетным способом [5].

Рис. 4. Положение контрольных точек при измерении тепловых сопротивлений: а) эквивалентная схема; б) тепловая схема

Тепловое сопротивление вычисляется на основе значения температуры кристалла Tj, определяемой по напряжению насыщения V_CEsat. При малом токе коллектора обратная зависимость параметра V_CEsat от температуры является линейной, что позволяет рассчитывать перегрев кристалла с высокой точностью без использования датчиков. Метод, основанный на использовании калиброванной функции V_CEsat = f (Tj), распространен и применяется многими производителями. В процессе измерения модуль нагружается номинальным током до установления теплового равновесия, это время составляет около 90 с. После этого нагрузка отключается, через открытый транзистор пропускается измерительный ток (100 мА) в течение 3 с и производится замер напряжения «коллектор -эмиттер» и расчет температуры кристалла. При определении напряжения насыщения измерительный прибор подключается к выводам модуля, следовательно, значение V_CEm включает падение напряжения на силовых терминалах V_CEm = V_CE+R_CC+_EE. Погрешность измерения, вносимая потерями на выводах модуля, учитывается при вычислении температуры кристалла.

На рис. 4б показана эквивалентная тепловая схема модуля MiniSKiiP. Области распределения температуры отмечены цветом: красный соответствует наиболее нагретым зонам. Тепловое сопротивление R_th(j-_S) определяется на основании измеренного значения градиента температуры ΔΤ «кристалл — радиатор» с помощью выражения:

Общее значение теплового сопротивления чипа относительно окружающей среды является суммой:

Общее значение теплового сопротивления чипа относительно окружающей среды является суммой:

где первое и второе слагаемое представляют собой «виртуальные» значения тепловых сопротивлений «кристалл — корпус» и «корпус -радиатор».

Цифровой интерфейс и бутстрепное питание

На всех логических входах MiniIPM, включая вход схемы защиты от перегрузки по току (CIN), установлены резисторы утечки на логическую «землю» GNDH, а входы /ERROR и /RESET через сопротивления привязаны к цепи питания VSH.

Для питания верхних каскадов устройства управления затворами рекомендуется бутс-трепная схема (рис. 5а), широко применяемая в высоковольтных интегральных драйверах, не имеющих гальванической изоляции.

Рис. 5. Бутстрепная схема питания MiniSKiiP IPM

Электролитический конденсатор C_VSH в цепи питания необходим для сглаживания низкочастотных пульсаций и обеспечения быстрого заряда бутстрепных емкостей. Его номинал рассчитывается по формуле:

где Q_VSH — заряд включения затвора (Q_VSH = = E_on/V_Gon); V_CC — напряжение питания; E_m — энергия включения затвора; V_Gon — напряжение включения (+15 В).

Рекомендуемое значение C_VSH, учитывающее разброс и временную стабильность параметров, составляет 10-22 мкФ. Параллельно электролиту следует установить керамический конденсатор C_VSL (100-220 нФ), необходимый для фильтрации ВЧ-шумов и защиты IC-драйвера от переходных перенапряжений. Обе емкости должны располагаться предельно близко к выводам модуля VSH и GNDH.

Потенциал эмиттера IGBT верхнего плеча «плавающий», он меняется вместе с выходным напряжением и является опорным для сигнала управления затвором транзистора HIGH. Для питания выходного каскада драйвера верхнего плеча нужен изолированный источник с общим выводом, подключенным к цепи VSH1 (рис. 5), соответственно, для работы 3-фазной схемы таких источников нужно три. Более простым решением, чаще всего используемым в подобных случаях, является бутстрепная схема. Как показано на рис. 5, для ее реализации требуется несколько дискретных компонентов, задача которых состоит в обеспечении и поддержании заряда, необходимого для работы драйвера IGBT канала HIGH: C_BS, R_BS, ZD_BS, D_BS.

Резистор R_BS необходим для ограничения тока заряда бутстрепной емкости C_BS, который происходит через быстрый высоковольтный диод D_BS при открывании транзистора IGBT канала LOW. Диод D_BS блокирует обратный разряд C_BS на источник V_CC, когда нижний IGBT закрыт и выходное напряжение имеет высокий уровень. Стабилитрон ZD_BS предназначен для защиты драйвера и затвора от перенапряжений.

Чтобы драйвер верхнего плеча начал работать, бутстрепный конденсатор C_BS должен быть заряжен до уровня V_CMAX я V_CC. Как правило, для этого требуется подача одного или нескольких отпирающих импульсов на IGBT нижнего плеча. При нормальной работе схемы напряжение V_C меняется между минимальным и максимальным значением в пределах Δ V_C, как показано на рис. 5б. Его нарастание (заряд C_BS) происходит при открывании IGBT нижнего плеча, а спад за счет тока потребления драйвера канала HIGH — в течение «мертвого времени» и при открывании верхнего IGBT.

На работу бутстрепной схемы оказывают влияние все элементы схемы, включая токовый шунт R_shunt При ее анализе необходимо учитывать ток потребления драйвера I_QD, напряжение питания V_CC, минимальную длительность импульса включения IGBT LOW — t_{low_on_min} и максимальную длительность импульса включения IGBT HIGH — t_high__on__max.

Расчет компонентов схемы следует производить исходя из следующих соображений: емкость C_BS должна успеть зарядиться в течение времени t_{low on min} и не разрядиться ниже значения V_CMIN в течение времени t_{high_on_max}. Величина V_C при заряде рассчитывается следующим образом:

Схема защиты

Для предотвращения возникновения сквозных токов схема управления инвертором должна формировать так называемое «мертвое время» (t_dt — dead time) между запиранием одного транзистора полумоста и отпиранием другого. Необходимо учесть, что драйвер MiniSKiiP IPM не имеет этой функции, интервал времени t_dt должен быть задан внешним контроллером.

Одним из важнейших видов защиты является предотвращение выхода IGBT из насыщения (desaturation), для ее реализации служит функция UVLO (Under Voltage Lockout). Если напряжение питания любого из каскадов драйвера окажется ниже заданного значения (V_SUV(th)), все транзисторы выключаются, и схема защиты выдает сигнал неисправности низкого уровня (ERROR = LOW). Для сброса этого состояния на все входы должен быть подан сигнал логического нуля (HIN** = LIN** = LOW) на время t_d(err)CLR.

Безаварийная работа любого силового преобразователя обеспечивается при наличии защиты выходного каскада от перегрузки по току и КЗ. В MiniSKiiP IPM использован простейший вариант мониторинга тока инвертора с помощью резистивного шунта R_SHUNT. Организация схемы защиты показана на рис. 6а: падение напряжения на шунте V_SHUNT = I_C xR_SHUNT, вызванное протеканием тока нагрузки, через делитель и фильтр (R_S1, R_S2, C_S1) подаются на вход CIN модуля. При превышении этим сигналом заданного уровня (типовое значение 0,5 В) все IGBT отключаются.

Рис. 6. Схема защиты от перегрузки по току MiniSKiiP IPM

В качестве шунта рекомендуется использовать низкоиндуктивное сопротивление в корпусе smd, Т0-220, TO-247, такие элементы производит компания CADDOCK. Конденсатор фильтра C_S1 предназначен для подавления пиков напряжения, вызванных высоким значением скорости коммутации di/dt и броском тока при обратном восстановлении оппозитных диодов IGBT (рис. 6б). С помощью делителя задается уровень тока отключения I_TRIP в соответствии с формулой I_TRIP = 0,5(R_S1+R_S2)/(R_S1xR_S2).

Запирание транзисторов инвертора происходит при подаче сигнала низкого уровня на вход стробирования (/ERRIN = LOW), определении состояния UVLO или срабатывании защиты от перегрузки по току (V_CIN > 0,5 B). Во всех описанных случаях на выходе схемы защиты появляется обобщенный сигнал неисправности низкого уровня (/ERROUT = LOW).

Все модули семейства MiniSKiiP имеют в своем составе термодатчик (терморезистор с NTC-характеристикой), который может быть использован для мониторинга перегрева радиатора и организации тепловой защиты. Следует учесть, что сенсор не способен корректно отображать температуру кристаллов в динамических режимах из-за тепловой инерции теплостока. Номинальное сопротивление датчика R₂₅ = 50 00 Ом (при 25 °С или 298,15 K), температурная зависимость отражена в соответствующих диаграммах и графиках. Величина сопротивления R_T при температуре Т определяется по формуле:

В условиях принудительного воздушного охлаждения радиатора со стандартным профилем рекомендуемая температура отключения составляет 115 °С. Для измерения значения R_T используется резистивный мост или обычный делитель напряжения. Параллельно термодатчику в делителе рекомендуется устанавливать конденсатор, сглаживающий коммутационные помехи, наличие которых может привести к ложным срабатываниям схемы защиты.

Электрическая изоляция

Как видно на рис. 7а, термодатчик на DBC-плате расположен в непосредственной близости от чипов IGBT и диода. Внутреннее пространство MiniSKiiP IPM при изготовлении заливается силиконовым гелем, имеющим высокие изоляционные свойства, в результате конструктив модуля соответствует базовым требованиям по напряжению изоляции (АС 2,5 кВ в течение 1 мин). Параметры изоляции тестируются у 100% производимых компонентов.

Рис. 7. а) Положение термодатчика на DBC-плате; б) путь тока утечки «прижимная пластина — PCB»; в) путь тока утечки «крепежный болт — PCB»

Однако следует учесть, что электрические перегрузки, вызванные коротким замыканием, могут привести к разрушению выводов чипов и последующему возникновению дугового разряда. Предсказать путь распространения плазмы при этом невозможно, и в этих условиях терморезистор может оказаться под действием высокого напряжения. Соответственно в изделиях с повышенными требованиями по изоляции (например, мед-техника) следует организовывать дополнительные каскады потенциальной развязки.

Прижимная крышка MiniSKiiP имеет металлическую армирующую вставку, электрически соединенную через крепежный винт с теплостоком (рис. 7б, в). Поскольку потенциал вставки и радиатора одинаков, их положение влияет на длину пути тока утечки, прежде всего, по внешней поверхности модуля. Основные размеры, влияющие на изоляционные свойства изделия, приведены в таблице 3.

Таблица 3. Длина пути тока утечки для MiniSKiiP IPM 600 B

Заключение

По данным исследований рынка силовых полупроводниковых компонентов, которые провел британский исследовательский институт IMS (British Market Research Institute), в области производства миниатюрных модулей CIB доля рынка SEMIKRON составляет 30% в мире и более 46% — в Европе. Ожидается, что популярность данных компонентов с интегрированным драйвером окажется еще больше. Это подтверждается постоянно растущим спросом на модули IPM, предназначенные для разработки промышленных приводов средней мощности.

Для создания интеллектуального силового модуля на базе MiniSKiiP была разработана интегральная высоковольтная микросхема (HVIC) 7-канальной схемы управления затворами IGBT. Кристалл драйвера устанавливается непосредственно на керамическую DBC-подложку модуля, что обеспечивает эффективный отвод тепла и кратчайшие связи выходов драйвера с затворами IGBT. Благодаря усовершенствованной схеме сдвига уровня удалось существенно повысить помехозащищенность и надежность работы нового IPM. Модули серии MiniIPM способны стать новым промышленным стандартом в диапазоне приводных мощностей 5-15 кВт.

Литература

1. Колпаков А. Mini IPM — интеллект и компактность // Силовая электроника. 2008. № 4.
2. Колпаков А. Драйверы MOSFET/IGBT-технологии SOI с усовершенствованными каскадами сдвига уровня // Силовая электроника. 2008. № 4.
3. MiniSKiiP IPM Technical Explanations. SEMIKRON International, 2009.
4. Chudnovsky B. H. Degradation of Power Contact in Industrial Atmosphere: Silver Corrosion and Whiskers. Proceedings of the 48 th IEEE Holm Conference on Electrical Contacts, 2002.
5. Колпаков А. Контрольная точка, или Как читать datasheet между строк // Электронные компоненты. 2005. № 6.