Развитие IGBT-модулей
Компания «Электрум АВ» производит силовые IGBT-модули уже почти пятнадцать лет. За это время менялись технология и конструкции, менялись комплектация и технические характеристик модулей… Заказчик диктовал всё более жёсткие требования, а значит требовалось и постоянное развитие. О путях развития IGBT-модулей и пойдёт речь в нижеследующей статье.
Конструктив первых IGBT-модулей обусловило изначальное направление производства «Электрум АВ» - твердотельные реле. В качестве прототипов, в то время, были выбраны реле производства «Crydom» и, в частности, был разработан корпус аналогичный по габаритным и присоединительным размерам мощным модулям от «Crydom». Этот конструктив получил наименование «ДМ» (см. рисунок 1). И именно в этом конструктиве были изготовлены первые IGBT-модули, на несколько лет определившие первое поколение данного типа изделий.
Рисунок 1 – Внешний вид модулей в конструктиве «ДМ» Рисунок 2 – Внешний вид модулей в конструктиве «Е2»
С технической точки зрения не было препятствий для создания IGBT-модулей в конструктиве и с технологиями твердотельных реле. Ведь конструктивно реле так же представляет собой сборку силовых транзисторов, расположенных на радиаторе и установленную выше плату управления. Если убрать плату управления, то, фактически, получается IGBT-модуль. Таким образом, первое поколение IGBT-модулей представляло собой сборку корпусных транзисторов в модуле с объёмной герметизацией, по габаритным и присоединительным размерам приближенным скорее к реле, нежели к IGBT-модулям как таковым.
Первое поколение имело преимущества в простоте технологии и дешевизне, при этом обладая высокой надёжностью в работе со средней нагрузкой. Однако, при работе в жёстких режимах эксплуатации проявлялись недостатки «релейного» подхода: реле, практически не имея динамических потерь, гораздо менее требовательно к тепловому сопротивлению, нежели, например, полумост работающий на том же токе и напряжении, но при частоте 20 кГц. Необходимо было уменьшать тепловое сопротивление, что можно было достичь только заменой корпусных транзисторов на кристаллы. Разумеется, кристаллы транзисторов так же являли собой следующее поколение IGBT-транзисторов, что позволило улучшить и технические характеристик модулей (см. таблицу 1). И если в конструктивном плане, для потребителя, это изменение было практически не заметно, то в плане технологии это была почти революция. Следовательно и такие модули, хотя и не отличались конструктивно от предыдущих, значительно отличались от них в плане технологии производства, а потому являлись уже поколением «1+».
Таблица 1 – Основные параметры IGBT-транзисторов поколения «1» (в скобках) и поколения «1+» (без скобок)
К этому же поколению «1+» следует отнести менее мощные IGBT-модули в конструктивном исполнении «Е2», внешний вид которых приведён на рисунке 2, которые так же имели в своей основе кристаллы. Однако, в отличии от «ДМ», конструктив «Е2» изначально был заточен под IGBT-транзисторы и его дальнейшее изменении практически не требовалось. А вот для «ДМ» назревала необходимость кардинальных изменений. Причина этих изменений всё в том же изначальном базисе – релейной конструкции. В своё время габаритные и присоединительные размеры не были критичны потребителю, но прогресс не стоял на месте, импортные модули активно завоёвывали рынок и потребитель стал желать «так же». Требовались те же габаритные размеры, как у «стандартных» импортных модулях, последовательное расположение шин для полумоста; «+» и «-» расположенные на линии не вдоль модуля, а поперёк уже не удовлетворяли сложившимся представлениям о топологии преобразователей. Ответом на требования заказчика стала разработка нового, второго, поколения IGBT-модулей.
Второе поколение – это модули в конструктивах, аналогичных наиболее распространённым импортным конструкциям, таким как 62-миллимитровый корпус, имеющийся в номенклатуре почти всех производителей силовых модулей, и аналоги конструктивов «sp6» и «sp4» от «Microsemi». Эти модули получили обозначения «Е3», «М1» и «М2» соответственно (см. рисунки 3,4,5).
Рисунок 3 – Внешний вид модулей в конструктиве «Е3»
Рисунок 4 – Внешний вид модулей в конструктиве «М1»
Рисунок 5 – Внешний вид модулей в конструктиве «М2»
Таким образом, второе поколение IGBT-модулей уже полностью отвечало требованиям современного представления о силовом IGBT-модуле, при чём и в плане конструкции, и в плане технологии, и в плане технических характеристик. Доказательством тому служит сравнение модулей FF200R12KE3 и М12-200-12-Е3, приведённое в таблице 2.
Таблица 2 – Сводная таблица параметров модулей FF200R12KE3 и М12-200-12-Е3
Если отличия в поколениях «1» и «1+» заключались прежде всего в технологиях и почти не коснулись конструкции, то отличия между поколениями «1+» и «2» наоборот, более коснулось конструкции, в то время как изменения в части технологии были уже не столь значительны. И т.к. чтобы не отставать от прогресса требуется всё больше и больше усилий, то для создания поколения «3» необходимы пересмотры подходов как в технологическом, так и в конструктивном направлениях.
IGBT-модулей третьего поколения – это малогабаритные силовые модули, с низким профилем в конструктивном исполнении «М3» (внешний вид модуля приведён на рисунке 6), аналогичном конструктиву «Sot-227».
Рисунок 6 – Внешний вид модулей третьего поколения в конструктиве «М3»
Данное конструктивное исполнение требует множества изменений и в части технологии производства. Шины специальной конструкции, выдерживающие значительно большее количество термоциклов относительно модулей второго поколения и тем более относительно первого поколения (модули с объёмной герметизацией); корпус изготовленный по технологии трансферного литья; минимизация длинных связей с целью уменьшению паразитных индуктивностей и т.д. В части технологии данный модуль включает в себя новшеств больше, чем все предыдущие поколения вместе взятые. В настоящее время третье поколение ещё проходит стадию опытных образцов и предварительных испытаний, но так же как со всей неизбежностью менялись предыдущие поколения, так и модули типа «М3» являются неизбежным будущим для IGBT-модулей производства «Электрум АВ».
