DISCON

Мерседес силовой электроники


Если Вы занимаетесь разработкой или производством изделий силовой электроники, то Вас, несомненно, заинтересует продукция фирмы SEMIKRON — одного из мировых лидеров в области производства электронных компонентов для мощных и сверхмощных применений.

Продукция фирмы SEMIKRON насчитывает более 11 000 различных наименований полупроводников в диапазоне мощности от 1 Вт до нескольких МВт. На рисунке 1 можно увидеть некоторые из применений, на которые ориентированы силовые модули, выпускаемые фирмой SEMIKRON. В первую очередь, это:

  • приводы: вентиляторы, насосы, мельницы, краны, подъемники, эскалаторы, конвейерные линии;
  • технологические процессы: сварка, индукционный нагрев, электрохимическая обработка;
  • индустриальные применения: печатные машины, ткацкое оборудование, линии розлива, промышленные роботы, сервоприводы;
  • источники питания: импульсные
  • DC/DC- и AC/DC-преобразователи, зарядные устройства, ИБП, источники питания лазеров, рентгеновских установок, измерительного оборудования;
  • электротранспорт: электро- и гибридомобили, вильчатые подъемники, гольф-кары, электропоезда, стартер-генераторы;
  • энергетика: генераторы, компенсаторы реактивной мощности, выпрямители для силовых подстанций;
  • альтернативные источники питания: ветрогенераторы, солнечные батареи, тепловые насосы, топливные элементы.

В номенклатуре SEMIKRON - модули IGBT, интеллектуальные модули IGBT, модули MOSFET, драйверы MOSFET/IGBT и тиристоров, мощные тиристоры и диоды. Более того, SEMIKRON — единственный в Европе производитель интеллектуальных силовых модулей IGBT с током до 2400 А. По основным техническим характеристикам изделия SEMIKRON превосходят ближайших конкурентов на 10…20%. Специалистами фирмы SEMIKRON был разработан и первый в мире изолированный тиристорный модуль SEMIPACK. К настоящему времени во всем мире продано более 56 млн. таких модулей. Многие изделия SEMIKRON стали промышленным стандартом благодаря своей компактности, надежности и отличным техническим характеристикам (см. рис. 2). Продукция фирмы имеет высший сертификат качества QS 9000, требуемый для автомобильного производства. Фирма постоянно работает над улучшением качества продукции, разрабатывает новые уникальные изделия. Основные усилия разработчиков SEMIKRON направлены на удовлетворение жесточайших требований, предъявляемых к современным силовым электронным компонентам. В первую очередь, это требования по надежности, энергосбережению и электромагнитной совместимости.

    

    Рис. 1. Области применения и диапазоны мощности продукции SEMIKRON


    

    Рис. 2. Типы корпусов, диапазоны напряжений и токов модулей SEMIKRON



ПРОДУКЦИЯ SEMIKRON.
Интеллектуальные силовые модули.
IGBT SKiiP


Интеллектуальные силовые модули SKiiP и SKiM являются «визитной карточкой» фирмы, самым сложным, наукоемким и высокотехнологичным продуктом. Они объединяют в одном конструктиве силовой каскад IGBT (возможные конфигурации — полумост, полный мост, 3-фазный мост, каскад торможения), плату управления (драйвер), датчики тока фазы, температуры, напряжения питания силовой шины и теплоотвод. Драйвер обеспечивает гальваническую развязку сигналов управления и осуществляет все необходимые защитные и сервисные функции. Модули SKiiP рассчитаны на рабочее напряжение 600 В, 1200 В, 1700 В и диапазон токов 150…2400 А. Внешний вид модуля SKiiP, содержащего силовой каскад, установленный на теплостоке, и драйвер, показан на рисунке 3. В таблице 1 представлены типы интеллектуальных силовых модулей, выпускаемых фирмами SEMIKRON, Toshiba, Mitsubishi для преобразователей стандартного ряда мощности, приведенного в первом столбце. Предельное напряжение большинства выпускаемых интеллектуальных силовых модулей составляет 1200/1700 В, что является оптимальным значением для безопасной работы от промышленной сети 380 В. Как видно из таблицы 1, SEMIKRON не имеет на сегодняшний день конкурентов в производстве интеллектуальных модулей IGBT большой мощности. В области средних мощностей преимущества модулей SKiiP также очевидны, т. к. только они имеют конфигурацию 6-pack (полный 3-фазный мост), необходимую в большинстве применений. Использование интеллектуальных силовых модулей, представляющих собой законченное схемно-конструкторское решение, особенно целесообразно в области средних и больших мощностей, где конструкционные и технологические проблемы стоят наиболее остро, а эксперименты и макетирование практически исключаются. Разработка топологии силовых шин, соединяющих дискретные модули, соединение драйверов с силовыми модулями — труднейшая задача, и сложность ее возрастает с увеличением мощности. Даже при корректной топологии практически невозможно получить достаточно низкие значения распределенных индуктивностей шин, что приводит к высоким перенапряжениям и снижению надежности изделия. Применение снабберных цепей в таких конструкциях необходимо, а это усложняет и удорожает схему, увеличивает потери. Использование интеллектуальных силовых модулей в законченной конфигурации, в которой все силовые цепи соединены и драйвер является составной частью конструкции, решает большинство проблем. Технология прижимного соединения pressure-contact, используемая при изготовлении модулей SKiiP, строгий контроль электрических и конструктивных параметров позволяют получить беспрецедентные показатели надежности и практически исключить отказы при любых режимах эксплуатации. Отличные электрические и тепловые характеристики модулей SKiiP обеспечиваются применением в них новейших кристаллов транзисторов IGBT, изготовленных по технологии NPT, и антипараллельных диодов CAL (Controlled Axial Lifetime), что позволяет получить оптимальный баланс между потерями проводимости и переключения.

    Таблица 1. Типы интеллектуальных силовых модулей IGBT на напряжение 1200/1700 В (напряжение шины — 600 В, частота ШИМ — 5 Гц)


    

    * Примечания. Выбор модулей SEMIKRON произведен с помощью программы автоматического расчета и выбора компонентов SEMISEL. HB, 2-pack — полумост; Single — одиночный модуль; 6-pack — полный 3-фазный транзисторный мост.



    

    Рис. 3. Интеллектуальные силовые модули SEMIKRON: SKiiP, SKiM, SEMiX



Интеллектуальные силовые модули IGBT SKiM.

Основным отличием интеллектуальных модулей SKiM от SKiiP является то, что их силовой каскад выпускается только в конфигурации 6-pack (3-фазный мост IGBT). Кроме того, драйвер и теплоотвод не входят в комплектацию модуля, а поставляются отдельно по желанию потребителя. Внешний вид модуля SKiM с драйвером SKHI64 показан на рисунке 3. Интеллектуальные силовые модули SKiM, изготовленные по технологии SKiiP, объединяют в одном конструктиве силовой каскад IGBT, плату управления (драйвер) и датчик температуры. Драйвер обеспечивает гальваническую развязку сигналов управления и осуществляет все необходимые защитные и сервисные функции. В модулях используются новейшие кристаллы IGBT-транзисторов: Trench со сверхнизкими потерями проводимости и SPT с оптимальным сочетанием потерь проводимости и переключения. Модули SKiМ рассчитаны на рабочее напряжение 600 В, 1200 В, 1700 В и диапазон токов 150…500 А. Трехфазные IGBT-модули SKiM используются в различных областях промышленности: в силовых приводах, бесперебойных источниках питания, на электротранспорте, в сварочных аппаратах и т. д. Модули SKiM имеют сверхнизкий профиль: высота силовых терминалов не превышает 17,5 мм. Три типа выпускаемых сегодня модулей SKiM (SKiM3, SKiM4, SKiM5) перекрывают диапазон мощностей до 100 кВт. При использовании модулей SKiM5 в полумостовой конфигурации максимальная мощность составляет более 250 кВт. В таблице 2 приведены типы модулей SKiM SEMIKRON, а также Toshiba и Mitsubishi, рассчитанные на мощность, указанную в 1 столбце. Видно, что для указанного диапазона мощности только компоненты SEMIKRON имеют законченную конфигурацию 3-фазного моста, необходимую для большинства применений.

    Таблица 2. Типы интеллектуальных силовых модулей SKiM на напряжение 1200/1700 В (напряжение шины — 600 В, частота ШИМ — 5 кГц)


    

    * Примечание. Для выбора типа модулей SEMIKRON использована программа автоматизированного выбора и расчета SEMISEL.



    

    Рис. 4. Внешний вид модулей IGBT SEMITRANS



Стандартные модули IGBT SEMITRANS.

Модули IGBT в стандартных корпусах SEMITRANS выпускаются во всех типовых конфигурациях: одиночный транзистор, полумост, 3-фазный мост, чоппер верхнего и нижнего плеча. Модули имеют рабочее напряжение 600 В, 1200 В и 1700 В, ток до 800 А, и предлагаются в 5 различных модификациях, что позволяет выбрать оптимальный вариант с наивысшей эффективностью для конкретного применения. Внешний вид модулей SEMITRANS во всех исполнениях показан на рисунке 4. Среди модулей с рабочим напряжением 1200 В: серия 123 - стандартные Non Punch Through (NPT) IGBT, серия 124 — Low Loss NPT-IGBT (транзисторы с низкими потерями проводимости), серия 125 - Ultrafast NPT-IGBT (транзисторы с низкими потерями переключения), серия 126 — Trench Field-Stop (Trench- FS) IGBT (транзисторы со сверхнизкими потерями проводимости), серия 128 — Soft Punch Through (SPT) IGBT (транзисторы с оптимизированным соотношением потерь проводимости и переключения). Основная цель производства такого многообразия компонентов — обеспечение максимального количества возможных потребителей, получение минимальных потерь мощности для каждого конкретного применения.

Модули миниатюрные MiniSKiiP

Миниатюрные силовые модули MiniSKiiP, изготовленные по технологии SKiiP, предназначены для применения в малогабаритных силовых приводах, рассчитанных на мощность до 30 кВт. Снижение габаритов силового каскада при повышении его эффективности и мощности — основная задача любой компании, действующей на рынке силовых преобразовательных устройств. В 1996 году фирма SEMIKRON выпустила на рынок первое поколение миниатюрных модулей MiniSKiiP, предназначенных для работы в диапазоне мощностей до 10 кВт. По международной классиСИЛОВАЯ фикации эти модули обозначаются CIB (Converter, Inverter, Brake). Они содержат выпрямительный мост (однофазный или трехфазный), 3-фазный мост IGBT, тормозной транзистор. Модуль может также включать датчики тока и температуры. Подобные изделия выпускаются многими фирмами, в частности International Rectifier, Fairchild, EUPEC, однако по уровню плотности мощности в заданном габарите и по электрическим характеристикам модули SEMIKRON превосходят изделия конкурентов. И особенно это лидерство укрепилось с появлением модулей нового, второго поколения. Модули MiniSKiiP II отличаются применением новейших кристаллов IGBT, улучшенными тепловыми, электрическими и конструктивными характеристиками, расширенным диапазоном мощности (см. рис. 5). Основным отличием модулей MiniSKiiP II с напряжением 1200 В является использование в них улучшенных кристаллов транзисторов Trench IGBT 3-го поколения и пружинных сигнальных контактов усовершенствованной конструкции. За счет уменьшения толщины кристалла удалось добиться заметного снижения потерь. В качестве антипараллельных диодов в модулях MiniSKiiP II применена новая разработка SEMIKRON - диоды с регулируемым временем жизни носителей и повышенной плотностью тока CAL-HD (Controlled Axial Lifetime — High Density). Эти диоды хорошо согласуются с транзисторами Trench IGBT по электрическим параметрам и размеру кристалла, имеют меньшее прямое падение напряжение и положительный температурный коэффициент прямого напряжения.

    

    Рис. 5. Сборка модуля MiniSKiiP, варианты схем



Драйверы MOSFET/IGBT

В таблице 3 приведены типы и краткие характеристики драйверов SKHI, выпускаемых SEMIKRON, а на рисунке 6 показаны варианты конструктивов драйверов: печатная плата полумостового драйвера SKHI 23, модульный драйвер полумоста SKHI 22 и модульный драйвер 3-фазного моста SKHI 64. Драйверы SEMIKRON выполняют все функции, необходимые для безопасной работы модуля, производя постоянный мониторинг выходного тока, напряжения силовой шины питания и температуры модуля. Для гальванической развязки входных цепей в драйверах SEMIKRON используются импульсные трансформаторы; выходные каскады питаются от изолированных DC/DC-преобразователей, входящих в состав драйверов. Изоляция выполняется в соhttp:// ответствии с требованиями стандарта EN50178. Напряжение изоляции конкретного модуля зависит от предельного рабочего напряжения.

    Таблица 3. Драйверы MOSFET/IGBT SEMIKRON


    

    В таблице использованы следующие обозначения: Single — одиночный драйвер; HB — драйвер полумоста; Brake — драйвер тормозного транзистора; 6-pack — драйвер 3-фазного моста; 7-pack — драйвер 3-фазного моста и тормозного транзистора; VCEmax — максимальное напряжение коллектор — эмиттер; Vge — напряжение управления; Qg — максимальный заряд затвора; Imax — максимальный выходной ток драйвера; Fmax - максимальная рабочая частота; dV/dtmax — максимальная скорость нарастания напряжения при выключении.



Драйверы для управления тиристорными модулями

Драйверы для управления тиристорами SEMIKRON отличаются от аналогичных изделий тем, что они являются полностью законченными изделиями, предназначенными для управления тиристорами, соединенными в определенной конфигурации: полумостовой, мостовой, 3-фазной мостовой. Контроллеры SKHIT 01 представляют собой печатные платы, а драйверы серии SKPC, RT, MT имеют модульное исполнение, причем конструктивно они согласованы с тиристорными модулями SEMIPACK (по подключению и установочным размерам), что обеспечивает простое и надежное соединение.

Модули миниатюрные SEMITOP

Компания SEMIKRON известна в первую очередь благодаря своим уникальным разработкам в области компонентов высокой мощности. Однако в производственной программе фирмы имеются и модули SEMITOP, предназначенные для использования в маломощных применениях. Модули SEMITOP, выпускаемые по уникальной прижимной технологии SKiiP (см. рис. 7), рассматриваются как отличная альтернатива дискретным транзисторам в корпусах ТО — т. е. самым популярным компонентам для разработки и производства изделий мощностью до 5 кВт. Основные особенности модулей SEMITOP:

  • Низкое тепловое сопротивление «кристалл-теплосток» Rthjh
    Модули SEMITOP не имеют базовой несущей платы. В основании модуля находится DCB-плата, на которой расположены силовые кристаллы IGBT (DCB — Direct Copper Bonded - керамическая пластина с медными шинами, нанесенными методом диффузии). Согласно прижимной технологии SKiiP керамическое основание располагается непосредственно на радиаторе и тепловая связь с ним осуществляется только за счет механического прижима. При этом за счет оптимального распределения прижимающего усилия и исключения базовой платы обеспечивается низкое тепловое сопротивление «кристалл — теплосток» и высокое значение плотности тока. Для модулей SEMITOP не определяется значение теплового сопротивления «кристалл-корпус» Rthjc, поскольку отсутствует корпус, как теплопроводящий элемент конструкции.
  • Высокая устойчивость к термоциклированию
    Исключение базовой платы из конструкции модуля решает проблему рассогласования коэффициентов теплового расширения керамической DCB-платы и медного основания, обеспечивая значительное увеличение стойкости изделия к воздействию тепловых ударов.
  • Новейшие технологии кристаллов
    В модулях IGBT SEMITOP использованы кристаллы NPT IGBT-транзисторов с рабочим напряжением 600 В и 1200 В и антипараллельные диоды технологии CAL, что гарантирует низкий уровень потерь переключения и хорошую электромагнитную совместимость.
  • Простая и удобная конструкция
    Для установки модулей SEMITOP на радиатор и подключения платы управления во всех исполнениях служит один крепежный винт. Равномерное распределение прижимного усилия и оптимальный отвод тепла обеспечиваются конструкцией модуля. Взаимное расположение силовых кристаллов транзисторов и диодов позволяют получить минимальное значение распределенной индуктивности силовых шин. Один модуль SEMITOP заменяет от 2 до 12 корпусов ТО. В зависимости от конфигурации модуль SEMITOP может содержать IGBT или MOSFET полумост, полный мост, 3-фазный мост, однофазный или 3-фазный выпрямитель, каскад торможения.

Основные характеристики модулей SEMITOP приведены в таблице 4.

    

    Рис. 7. Внешний вид и конфигурации модулей SEMITOP



Модули тиристор/диод SEMIPACK


Тиристорные и диодные модули, аналогичные модулям SEMIPACK, производятся многими фирмами. Однако немногие знают, что конструктив изолированного модуля SEMIPACK, внешний вид которого показан на рисунке 8, был разработан на фирме SEMIKRON. Модули, выпускаемые SEMIKRON, рассчитаны на рабочее напряжение до 2400 В и ток до 700 А. Особенностью конструкции модулей SEMIPACK 1, 2, 3 является использование промежуточного молибденового слоя между силовыми кристаллами и медной шиной анода, что позволяет увеличить устойчивость к термоциклированию до 10 000 циклов. Для улучшения тепловых характеристик и повышения устойчивости к механическим воздействиям модули заливаются силиконовым гелем. Наиболее мощные модули SEMIPACK 3, 4, 5 изготавливаются по прижимной технологии SKiiP. Керамическая DBC-плата в них изготовлена из нитрида алюминия AlN, обеспечивающего отличные тепловые характеристики и хорошее согласование коэффициентов теплового расширения. За счет прижимного соединения силовых кристаллов стойкость к термоциклированию у модулей данного типа повышена до 20 000.

       Таблица 4. Основные характеристики модулей SEMITOP


       

       Таблица 5. Маломощные диоды SEMIKRON


       

    

    Рис. 6. Внешний вид драйверов SEMIKRON



Маломощные диоды и выпрямительные мосты SEMIPONT

Несмотря на то, что SEMIKRON известен, прежде всего, своими уникальными разработками, фирма выпускает широкий класс стандартных продуктов, в том числе маломощных выпрямительных диодов и мостов, а также выпрямителей средней мощности SEMITOP. В таблице 5 приведены классы и основные параметры производимых маломощных диодов. Выпрямительные модули SEMIPONT выпускаются в конфигурациях одно- и трехфазного неуправляемого, полууправляемого и управляемого выпрямителя и могут содержать в своем составе чоппер каскада торможения. Предельное напряжение - 1800 В, максимальный ток — 230 А.

Новое поколение модулей IGBT SEMiX

Основной причиной выпуска нового семейства модулей SEMIKRON, получившего название SEMiX, выступила необходимость создать конкуренцию модулям Econopack+, разработанным EUPEC, которые чрезвычайно популярны в своем классе. Для решения этой задачи — обеспечения соизмеримых и лучших параметров и получения большей мощности в аналогичном габарите — специалисты SEMIKRON разработали серию модулей новой плоской конструкции, внешний вид которых и варианты исполнения приведены на рисунке 9. Каждый модуль содержит 2, 3 или 4 параллельно соединенных полумостовых каскада IGBT. Модули отличаются только длиной, что упрощает разработку вариантов конструкции для изделий различной мощности. Для подключения тепловой защиты на базовой плате модулей установлен термодатчик с NTC-характеристикой. Модули SEMiX выпускаются в полумостовой и 3-фазной мостовой конфигурации и рассчитаны на рабочее напряжение до 1700 В и ток до 1000 А. При производстве модулей SEMiX используется 2 новейших типа кристаллов: Trench-IGBT со сверхнизкими потерями проводимости, и SPT-IGBT (Soft Punch Through) с оптимальным сочетанием потерь проводимости и переключения. Одним из основных направлений деятельности фирмы SEMIKRON является разработка и производство интеллектуальных силовых модулей и драйверов для всех типов выпускае мых модулей. Такой же подход использован и при разработке модулей серии SEMiX — в производственной программе SEMIKRON скоро должен появиться модуль SEMiX IPM со встроенным драйвером.

    

    Рис. 9. Варианты исполнения модулей SEMiX



Аксессуары

Фирма SEMIKRON отличается комплексным подходом к решению поставленных задач, среди которых одна из главных — обеспечение пользователя всем необходимым для создания силовых преобразовательных устройств. SEMIKRON предлагает клиентам не только широкую гамму электронных модулей, но и все, что необходимо для разработки конструкции: крепежные элементы, предохранители, биметаллические термоконтакты, варисторы, снабберные цепи для тиристорных модулей и снабберные конденсаторы для модулей IGBT, силовые шины, вентиляторы и радиаторы для всех типов выпускаемых модулей.

      

      Рис. 11. Сравнение результатов испытаний стандартных модулей и модулей SEMIKRON



Готовые силовые сборки SEMISTACK

Разработка топологии преобразователей средней и большой мощности является сложнейшей задачей, требующей крайне внимательного подхода к анализу распределенных параметров конструкции. Использование готовых, протестированных конструктивов, содержащих силовые модули, многослойные силовые шины, систему охлаждения и установочные элементы, позволяет обеспечить высокую надежность изделия, минимальные потери, компактную конструкцию и хорошую электромагнитную совместимость за счет оптимизации распределенных параметров. На рисунке 10 показаны конструктивы SEMISTACK, которые фирма SEMIKRON предлагает для различных применений. Сборки SEMISTACK содержат силовые электронные компоненты SEMIKRON, соединенные многослойными шинами, батареи конденсаторов, радиаторы и вентиляторы. Все модули сертифицируются и проходят полный цикл испытаний.

    

    Рис. 10. Готовые сборки SEMISTACK

 

    Таблица 6. Публикации, посвященные продукции SEMIKRON


    

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В 1991г. была принята европейская программа оценки технических решений «Technology Assessment». В рамках этой программы советом по науке Швейцарии сформулированы требования по энергосбережению и надежности изделий силовой электроники, а также требования к системным и информационным технологиям LESIT (Leistungselektronik, Systemtechnik und Informationstechnologie). В процессе осуществления программы LESIT проводились многочисленные испытания надежности силовых модулей различных производителей. В программу испытаний на надежность входили испытания до полного отказа при воздействии термоциклов с различным градиентом температуры. Результаты испытаний приведены на рисунке 11, где показана зависимость количества термоциклов, вызывающих отказ некоторого количества модулей от перепада температуры. Причем испытания модулей стандартной конструкции проводились до отказа 50% модулей, а модулей SKiM - до отказа 1% от выборки. Обратите внимание, что модули SEMIKRON имеют гораздо более высокую стойкость к термоциклированию, и данное преимущество увеличивается с ростом перепада температуры, что свидетельствует о высочайшем уровне надежности в особо жестких условиях эксплуатации. Это является результатом применения уникальной прижимной технологии SKiiP «pressure-contact», разработанной SEMIKRON и используемой при производстве модулей. В данной обзорной статье очень трудно охватить все многообразие продукции SEMIKRON, рассказать об особенностях конструкции, технологии изготовления, дать подробное описание технических характеристик. Специалисты, интересующиеся подробным описанием модулей SEMIKRON, могут найти детальную информацию на сайте www.semikron.com либо в ряде статей из списка, приведенного в таблице 6.

Андрей Колпаков, инженер ООО «Semikron Украина»

Частичное или полное использование материалов разрешается только при условии ссылки и/или прямой открытой для поисковых систем гиперссылки на непосредственный адрес материала на Сайте.

Оставьте свой комментарий

Пожалуйста авторизируйтесь или создайте учетную запись перед тем как написать комментарий
Подпишитесь на наши новости и бонусные акции
6 причин сотрудничать с нами
Широкий ассортимент
В компании Discon Вы найдете широкий выбор товаров, всех направлений.
Прямые поставки из Европы и Азии
Мы осуществляем прямые поставки товаров оптом из более 20 стран Европы, Азии.
Профессиональные консультанты
Вы всегда получите профессиональную консультацию нашими консультантами.
Честные цены
У нас самые низкие цены в Украине. Так как мы являемся импортёрами.
Многолетний опыт
Основан в 1994 году. Дистрибьютор по территории Украины и СНГ.
Комплексные решения
Предаставляем полный комплекс с покупкой и обслуживанию.