www.siplace.ru

Оборудование для SMD линии

dialsmt.ru

SMT оборудование.
Сделано в России

www.compensation.ru

Оборудование для компенсации реактивной мощности и щитовое оборудование

www.contaclip.ru

Электротехническая продукция. Измерительные приборы

www.dialelectrolux.ru

Электронные компоненты

бесплатный номер для регионов

+7 (495) 995-20-20

сделать заказ, задать вопрос

sales@dialcomponent.ru

отправить письмо

Новости

Поздравляем с открытием ЧМ 2018!

Подробнее

Поздравляем с Днем великой Победы!

Подробнее

Календарь событий

Март 2014

Статьи

IGBT это просто. Обзор исполнения и применения.

В данной серии статей рассмотри различные аспекты, связанные с IGBT транзисторами. Всего планируется размещение 3 статей по разной тематике. Из статей вы получите наиболее важную и необходимую информацию по IGBT транзисторам. Вторая статья нашей серии расскажет нам о параллельной работе IGBT и о модульном исполнении.

Ведущие мировые производители элементной базы, в частности "International Rectifier", "Siemens", "Mitsubishi" и другие, провели подробное исследование режимов работы параллельно включенных IGВТ ­ приборов. Они установили, что IGВТ ­ транзисторы более подвержены несимметрии режимов при параллельном включении, чем транзисторы MOSFET, однако в случае выполнения несложных схемотехнических и конструктивных рекомендаций, IGВТ "работают" гораздо лучше "биполярников". Транзисторы IGBT одного типа и наименования можно соединять параллельно без эмиттерных токовыравнивающих резисторов, а это значит, что мы сразу избавляемся от потерь мощности на их активном сопротивлении. Особенно важно "поставить" все транзисторы в одинаковые температурные условия, то есть обеспечить их равномерный прогрев. На рис. 1 представлен график исследования нагрева параллельно включенных транзисторов. Линия "1" представляет идеальный процесс нагрева, "2" процесс нагрева при расположении транзисторов на общем радиаторе, "3" на разных радиаторах. Токовая загрузка­ транзисторов, "работающих" параллельно, должна быть для каждого не более 80...90% от максимального тока коллектора одиночного прибора.

Рис. 1. График процесса нагрева параллельно включенных транзисторов.

Второе условие нормальной работы параллельно включенных IGВТ­ приборов - ­ минимально возможная длина связей между одноименными силовыми и управляющими цепями. Это условие продиктовано тем, что протяженные связи обладают высокой паразитной индуктивностью. При протекании тока индуктивность накапливает энергию, что является причиной выбросов напряжения при резком изменении токов (в режиме коммутации). В результате этих процессов транзисторы могут быть рассимметрированы по токам коллектора, причем тем больше, чем выше частота коммутации.

И, наконец, последняя важная рекомендация относится к цепям управления. Соединять непосредственно затворы параллельно вклю­чаемых IGВТ ­приборов нельзя, так как в процессе коммутации возникает "звон" тока в управляющей части транзисторов, который может привести к их неконтролируемому открытию. Источник "звона" - ­ паразитные эмиттерные индуктивности. Защищаются от "звона" включением затворных резисторов и развязкой цепей "эмиттер силовой" и "эмиттер управления". Учитывая эти требования ведущие разработчики пришли к производству IGBT модулей.

В настоящее время транзисторы IGBT выпускаются, как правило, в виде модулей в прямоугольных корпусах с односторонним прижимом и охлаждением ("Mitsubishi", "Siemens", "Fuji" и др.) и таблеточном исполнении с двухсторонним охлаждением ("Toshiba Semiconductor Group"). Модули с односторонним охлаждением выполняются в прочном пластмассовом корпусе с паяными контактами и изолированным основанием. Все электрические контакты находятся в верхней части корпуса. Отвод тепла осуществляется через основание. Типовая конструкция модуля в прямоугольном корпусе показана на рис. 2.

Рис. 2. Типовая конструкция IGBT-модуля: 1-кристалл, 2-слой керамики, 3-спайка, 4-теплопроводящий слой.

Ток управления IGBT мал, поэтому цепь управления (драйвер) конструктивно компактна. Наиболее целесообразно располагать цепи драйвера в непосредственной близости от силового ключа. В модулях IGBT драйверы непосредственно включены в их структуру. "Интеллектуальные" транзисторные модули (ИТМ), выполненные на IGBT, также содержат "интеллектуальные" устройства защиты от токов короткого замыкания, системы диагностирования, обеспечивающие защиту от исчезновения управляющего сигнала, одновременной проводимости в противоположных плечах силовой схемы, исчезновения напряжения источника питания и других аварийных явлений. В структуре ИТМ на IGBT предусматривается в ряде случаев система управления с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) и однокристальная ЭВМ. Во многих модулях имеется схема активного фильтра для коррекции коэффициента мощности и уменьшения содержания высших гармонических в питающей сети.

IGBT-модуль по внутренней электрической схеме может представлять собой единичный IGBT, двойной модуль (half-bridge), где два IGBT соединены последовательно (полумост), прерыватель (chopper), в котором единичный IGBT последовательно соединён с диодом, однофазный или трёхфазный мост. Во всех случаях, кроме прерывателя, модуль содержит параллельно каждому IGBT встроенный обратный диод. Наиболее распространённые схемы соединений IGBT- модулей приведены на рис. 3.

рис. 3. Схемы IGBT модулей

Интенсивно развивается технология корпусирования паяной конструкции силовых модулей с целью дальнейшего снижения габаритов и массы, повышения надёжности, энерго- и термоциклоустойчивости, уменьшения теплового сопротивления и стоимости. Эти цели достигаются применением новых материалов и технологий сборки на тонкие и AlN керамические подложки в корпусах с малоиндуктивными выводами, разработкой специальных конструкций силовых модулей с интегрированным жидкостным охлаждением и созданием силовых модулей, включая "интеллектуальные", с использованием матричных композиционных материалов, имеющих хорошие теплопроводящие свойства и низкие, согласованные с кремнием и керамикой, коэффициенты теплового расширения (КТР).

В модулях с интегральным жидкостным охлаждением почти в четыре раза удаётся увеличить отводимую рассеиваемую мощность по сравнению с сопоставимой по электрическим параметрам традиционной конструкцией силового модуля с воздушным охлаждением.

Применение матричных композиционных материалов (MMC-Metal Matrix Composite) открывает новые перспективы в создании высокомощных, компактных, прочных, надёжных силовых модулей. MMC имеют высокую теплопроводность (MMC-150 Вт/(м*К), Cu-370, Al-200, Si-80), низкий КТР (MMC-7, Cu-17, Al-23, Si-4, -7, AlN-7), что позволяет снизить до минимума напряжённости в конструкции модуля, особенно в чипах силовых приборов, обеспечивая хорошую электрическую изоляцию и эффективный отвод тепла. В настоящее время по этой концепции созданы "интелектуальные" силовые модули (выпрямитель-инвертор) мощностью до 100 кВт.

Наряду с развитием технологии паяной конструкции силовых модулей с изолированным основанием (предельные параметры 1,2 кА, 3,5 кВ) продолжает интенсивно развиваться технология прижимной конструкции IGBT- модулей, подобная таблеточной конструкции SCR (Silicon Controlled Rectifier) и GTO - press-pack technology, в которой наряду с уменьшением более чем в 10 раз теплового сопротивления и габаритов значительно улучшены надёжность, термоциклоустойчивость.

В следующей статье будет описана целесообразность применения модулей и дискретных транзисторов, а также общие сферы применения IGBT технологии.

Статья составлена по материалам книги Семенова Б.Ю. "Силовая электроника. От простого к сложному." и статье К.Д. Рогачева.