Современная силовая электроника – разворот на восток и «доступная функциональность»

Современная силовая электроника – разворот на восток и «доступная функциональность»

Современная силовая электроника – разворот на восток и «доступная функциональность»

Денис Новоторженцев, исполнительный директор НПК Эксперт, denis_n@unirec.ru
Андрей Колпаков, старший специалист, akolpakov@unirec.ru



Мир силовой электроники перевернулся, и мы перевернулись вместе с ним. Повышение стойкости к термоциклированию, борьба за каждый мВ статических потерь и каждый мДж динамических – эти вопросы, кажущиеся очень важными еще совсем недавно, отошли на задний план (будем надеяться, что не навсегда). Главная проблема, которую приходится решать теперь – это поиск доступных силовых модулей, способных выполнять необходимые функции, обеспечивая при этом приемлемые показатели надежности. Можно сказать, что девизом современной российской электроники стала «Доступная функциональность»… 

Оглядываясь назад, мы с удивлением обнаруживаем, что пока мы кача-ли нефть и газ, китайцы укрепляли финансовую систему, поднимали альтерна-тивную энергетику и электротранспорт, создавали микроэлектронику и сило-вую электронику. Китай превратился в действительно независимую державу, способную противостоять любым вызовам. И понятно, кто будет спасать нашу промышленность в ближайшие годы. Если захочет, конечно…

Мы планируем опубликовать серию статей, посвященных наиболее ин-тересным китайским производителям силовой электроники. Начнем с компа-нии Xiner Semiconductor, хорошо известной на внутреннем рынке, как один из официальных поставщиков BYD – крупнейшего игрока на мировом рынке элек-тротранспорта.

Знакомьтесь: Xiner Semiconductor



Рис. 1. Основные рынки XinerSemi: электромобили, промышленные преобразователи частоты, индукционный нагрев, источники питания.

Компания Shenzhen Xiner Semiconductor Technology Co., Ltd. была основана в 2013 году. В ее создании принимали участие многие известные организации и институты Китая, в частности Государственная комиссия по надзору и администрированию в Шэньчжэне, Инновационный фонд талантов в Шэньчжэне, а также Dachen Venture Capital, Fangguang Capital, Xiamen Falcon и другие. Xiner занимается разработкой и производством чипов IGBT и модулей на их основе, интегральных драйверов затворов IGBT, а также маломощных интеллектуальных силовых модулей (IPM).

В команде Xiner - высококвалифицированные специалисты, имеющие большой опыт работы в электронной индустрии. Это первая компания в Китае, успешно разработавшая и начавшая массовое производство IGBT модулей на основе технологии Trench FS четвертого поколения. Xiner располагает научно-исследовательскими центрами в Шанхае и Шэньчжэне, а офисы продаж, находящиеся в Шэньчжэне, Шанхае, Циндао, Шунде и Ханчжоу способны динамично реагировать на запросы заказчиков, работающих в различных отраслях промышленности (рис. 1). Тот факт, что Xiner Semiconductor является поставщиком силовых модулей для электротранспорта, подтверждает высокую надежность продукции и гарантирует наличие необходимых для этого сертификатов.

Философия бизнеса Xiner ориентирована на сотрудничество в наиболее перспективных секторах силовой электроники. Компания детально изучает требования заказчиков, помогает в разработках мощных электронных преобразователей, поддерживает тесные связи с партнерами, имеющими наибольшие компетенции в данной отрасли.

Поскольку мы уже упомянули, что Xiner первым в Китае разработал собственную технологию Trench FS 4, то напомним читателям, что это такое и чем Trench отличается от других базовых структур IGBT.

Trench и другие технологии IGBT

Основными параметрами, по соотношению которых определяются базовые свойства кристалла IGBT и его «специализация», являются напряжение насыщения, заряд затвора и энергия переключения. Наиболее распространенными технологиями IGBT на сегодняшний день являются NPT, SPT и Trench-FS, основные особенности которых показаны на рисунке 2 [3]. В модулях последних поколений чаще всего используются чипы Trench, обеспечивающие оптимальное сочетание статических и динамических потерь.


Рис. 2. Структура кристаллов NPT, SPT, Trench-FS.

При производстве кристаллов NPT используется однородная диффузионная n- подложка толщиной около 200 мкм. Планарный затвор расположен на ее поверхности, а биполярный PNP транзистор формируется путем добавления слоя p+ в основании подложки. К достоинствам гомогенной NPT структуры можно отнести высокую стойкость к короткому замыканию, положительный температурный коэффициент напряжения насыщения и прямоугольную область безопасной работы при обратном смещении RBSOA (Reverse Biased Safe Operating Area).

Чипы SPT содержат дополнительный буферный n+ слой, расположенный между подложкой и слоем p+. Буфер повышает стойкость транзистора к пробою, опасность которого возрастает из-за уменьшения толщины подложки. Меньшая толщина кристалла SPT позволяет снизить потери проводимости, структура затвора у них - стандартная планарная (как у NPT-IGBT).

У SPT IGBT оптимизированы характеристики выключения: напряжение нарастает линейно, переходный процесс более плавный, меньше уровень коммутационного перенапряжения, сокращен «хвост» тока. Энергия переключения транзисторов SPT ниже, чем у NPT IGBT, площадь кристалла и тепловые характеристики соизмеримы.

Однако практически все современные IGBT производятся по технологии Trench-FS. Они также имеют буферный n+ слой в основании, как показано на рисунке 2с. Принципиальное отличие этого типа кристаллов состоит в структуре затвора, выполненного в виде глубокой канавки (trench) в теле подложки. В сочетании с модифицированной конструкцией эмиттера это позволяет оптимизировать распределение носителей в области подложки. В результате напряжение насыщения транзисторов Trench-FS на 30% ниже, чем у NPT, а размер чипов – меньше почти на 70%, т.е. плотность тока намного больше. С появлением четвертого поколения Trench IGBT этот показатель увеличился с 85 А/см2 (SPT IGBT) и 115 А/см2 (T3 IGBT) до рекордного уровня 130 А/см2.

Для повышения перегрузочной способности IGBT их максимальная рабочая температура Tjmax должна быть не менее 175°C, такое требование предъявляют в частности производители транспортных приводов. Если учесть, что стандартным «тепловым запасом» в режиме перегрузки считается 25°C, то для кристаллов Trench 4 номинальная рабочая температура в длительном режиме работы составляет 150°C. В пересчете на выходную мощность 3-фазного инвертора это означает прибавку не менее 20% по сравнению с модулями предыдущих поколений, у которых величина Tjmax была ограничена на уровне 150°C.

При разработке технологии Trench 4 были оптимизированы основные элементы вертикальной структуры: n- – базы, n-Field Stop слоя, предназначенного для повышения напряжения пробоя, и эмиттера. При производстве чипов Xiner используется новый технологический процесс сверхтонких пластин (Ultra Thin Wafer Process). Это позволило снизить суммарные потери в широком диапазоне частот более чем на 30%, увеличить плотность мощности и обеспечить более плавный характер переключения.

В Таблице 1 приведены основные характеристики IGBT различных типов, определяющие мощность потерь. Для корректности сопоставления значения параметров SPT и Trench 3 даны при температуре Tj = 125°C, а для чипов 4 поколения добавлены соответствующие величины для Tj = 150°C.

Параметр, единица измерения

SPT IGBT

Trench IGBT3

Trench IGBT4

125°С/150°С

Напряжение насыщения VCEsat, В
(@ ICnom, 25°С)

1,9

1,7

1,8

Напряжение насыщения VCEsat, В
(@ ICnom, 125°С)

2,1

2,0

2,1 / 2,2

Энергия переключения Еsw, мДж
(@ 125°С)

22

27

19 / 21

Заряд затвора QG, мкКл
(@ VGE = -8/+15 B)

1,2

0,9

0,57

Температура кристалла Tjmax, °С

150

150

175

Таблица 1. Характеристики различных типов IGBT (чип 1200 В / 100 А)

Справедливости ради отметим, что ведущие европейские и японские производители силовой электроники не так давно представили на рынке модули Trench IGBT следующего, седьмого поколения. У Xiner и других китайских компаний таких пока нет, но думаем, что освоение этой технологии не займет много времени. Вспомним, как еще совсем недавно мы смеялись над китайскими автомобилями…

Xiner Semiconductor: номенклатура.


Рис. 3. Стандартные корпуса IGBT Xiner.

Нельзя сказать, что Xiner предлагает очень широкую номенклатуру модулей, однако выпускаемая продукция покрывает большую часть потребности рынка промышленных приводов средней и высокой мощности. Это 3-фазные выпрямители, 3-фазные и полумостовые модули IGBT в стандартных корпусах (см. рис. 3), а также интегральные драйверы затворов. Основные параметры силовых ключей Xiner представлены в Таблице 2.

 

Тип модуля

Рабочее напряжение, В

IC(nom), А
________
IF(nom), А

Корпус

Размеры, мм

Конфигурация

XNG***PI12TL1S3

600

20-30

L1

34×48×15

PIM (3-ф выпрямитель)

XNG15PI24TL1S3

1200

15

L1

34×48×12

PIM (3-ф выпрямитель)

XNG***PI24TL2S3

1200

25-40

L2

57×48×12

PIM (3-ф выпрямитель)

XNG***PI24TC3AS3

1200

25-50

C3

107×45×17

PIM (3-ф выпрямитель)

XNG***PI24TC4AS5

1200

50-100

C4

122×62×17

PIM (3-ф выпрямитель)

XNG***D24KC4A5

1200

150-200

C4

122×62×17

SixPack IGBT (3-ф инвертор)

XNG***B24TC1S5 

1200

50-150

C1

94×34×30

Полумост IGBT

XNG***B24KC2S5

1200

200-450

C2

106×62×30

Полумост IGBT

XNG***B34KC2S8

1700

200-300

C2

106×62×30

Полумост IGBT

XNG***B24KC5A5

1200

300-600

C5

152×62×17

Полумост IGBT

XNG***B34KC5A8

1700

300-600

C5

152×62×17

Полумост IGBT

XNG***D13TH4A3

650

300-400

H4

140×112×17

SixPack IGBT (3-ф инвертор)

XNG400D13TH6A3

650

400A

H6

140×72×17

SixPack IGBT (3-ф инвертор)

XNG660D13TH5A3

650

660A

H5

152×92×15

SixPack IGBT (3-ф инвертор)

Таблица 2. Номенклатура силовых модулей Xiner.
Примечание: *** - цифра совпадает с номинальным током модуля 


Рис. 4. Малогабаритные IPM Xiner имеют диапазон токов 3-50А

 В линейке продукции Xiner также представлены интеллектуальные силовые модули (IPM), имеющие в своем составе не только силовой каскад, но и драйвер затвора со всеми необходимыми функциями защиты. Xiner предлагает  IPM с рабочим напряжением 600 и 1200В в диапазоне токов 3-50А, которые выпускаются в малогабаритных корпусах DIP23, SOP23, PQFN, DIP24, DIP25, DIP26, DIP29 (рис. 4).

Xiner Semiconductor: попробуем сравнить

Сравнение характеристик модулей, производимых различными фирмами (особенно европейскими и азиатскими) – неблагодарное дело. Опытные специалисты знают, что, например, такой важный параметр, как тепловое сопротивление Rth у разных производителей нормируется по-разному, что создает почву для махинаций и злоупотреблений со стороны недобросовестных продавцов. Однако для грамотных инженеров, знающих как «читать datasheet между строк» [3], это не будет проблемой. Поэтому мы не будем сравнивать величины Rth, тем более что тепловое сопротивление Rth(c-s) - в первую очередь характеристика конструктива и не может сильно отличаться у модулей в корпусах 62мм или Econo-Dual, производимых с применением стандартных технологий пайки и ультразвуковой сварки.

Толерантность не позволяет европейским производителям указывать конкретные названия сравниваемых компонентов, вместо этого они пишут Competitor 1, Competitor 2 и т.д. (т.е. Конкурент 1, Конкурент 2). Не будем нарушать это правило, и сопоставим основные характеристики наиболее востребованного на рынке мощных приводов полумостового IGBT модуля EconoDual 1200В/450А компании Xiner (XNG450B24KC5A5) с одним из лучших европейских аналогов. Опытный специалист сразу поймет, о чем идет речь. Полученные результаты приведены в Таблице 3. 

Тип модуля

ICRM, A

VCE(sat), В & Tj=25/150°C

Eon/Eoff, мДж & Tj=150°C

Err, мДж & Tj=150°C

Qg, мкКл

EU Trench 4

1450 (3*IСnom)

1,8/2,19

25/57

37

3,3*

XNG450B24KC5A5

900 (2*ICnom)

1,75/2,05

43/51

24

1,62*

Таблица 3. Сравнительные характеристики модулей IGBT Trench 4 (1200В/450А), корпус Econo-Dual
*Примечание: Величина Qg нормирована для VGE=-15/+15B

Мы сознательно (чтобы не отдавать никому предпочтения) включили в таблицу пиковый ток перегрузки ICRM, равный тройному номинальному току у европейского модуля и только двойному значению ICnom у IGBT Xiner. Напомним, что точно так же (2*ICnom) величина ICRM определялась для предыдущего, третьего поколения европейских IGBT. Скорее всего, причиной этого являются устаревшие условия нормирования. Тем более что опытные специалисты прекрасно понимают, что сам по себе параметр ICRM не имеет большого практического значения, так же, как и ICnom.

Напомним, что согласно договоренности ведущих производителей IGBT величина ICnom, также указываемая в названии модуля, определяется производителем чипа на основании технологических коэффициентов. Т.е. если в модуле установлено три параллельных кристалла с «номинальным» током 150А, то в спецификации будет указано ICnom = 450А. Реальный ток силового ключа в конкретных условиях применения определяется только путем теплового расчета для определенных режимов работы и охлаждения. На наш взгляд лучшим инструментом для такого расчета является SEMISEL [4], тем более что локальные версии программы, начиная с версии 3.1, позволяют создавать тепловые модели на основе технических спецификаций (опция User Defined Model).

Анализ остальных параметров в Таблице 3 гораздо интереснее и полезнее. Как видно из таблицы, статические потери XNG450B24KC5A5 чуть ниже, чем у европейского аналога, а динамические – немного выше. Однако энергия восстановления «тельного» диода у модуля Xiner заметно меньше, что дает ему преимущество в определенных режимах работы. Также гораздо ниже у него суммарный заряд затвора QG – это уменьшает мощность, рассеиваемую драйвером, что особенно важно при параллельном соединении IGBT.

Как уже отмечено выше, ведущие европейские и японские компании начали выпуск силовых ключей 7-го поколения, отличающихся улучшенными статическими характеристиками. У китайских производителей, в частности Xiner, таких пока нет. Однако сравнительные испытания модулей XNG450B24KC5A5 в составе 3-фазного инвертора, проведенные нашими партнерами, показали, что в номинальных режимах на частоте ШИМ =

3кГц перегрев чипов не превышает 10°С относительно IGBT Gen.7. В нынешних условиях такой результат можно считать вполне приемлемым.

Вместо послесловия или немного о китайском менталитете.

Для инженеров, имеющих опыт общения с европейскими специалистами (в первую очередь с нем

ецкими, как у автора этих строк), знакомство с «китайским» вариантом технической поддержки вызывает, мягко говоря, удивление. На сайте компании вы можете обнаружить технические спецификации (datasheet) только на китайском языке или вообще не найти их! А в ответ на запрос вам ответят, что документация предоставляется только после размещения заказа. Возникает вопрос: как можно заказывать силовой модуль, не имея на него технической информации? А вот так. Этот вопрос очевиден для нас, но не для китайцев - существ с другой планеты… Что касается любезных нашему сердцу технических описаний и руководств по применению (Technical Explanations, Application Notes), то их, скорее всего, вы не обнаружите вообще.

Разобраться с подобными восточными странностями нам помогла замечательная книга «Китай – культурный шок» [5], написанная Вадимом Чекуновым – филологом, много лет прожившим в Китае и хорошо знающим эту страну. В двух словах особенности китайского менталитета можно объяснить следующим образом. На планете Земля есть «Срединное Государство» (именно так переводится самоназвание Китая), где живут люди - китайцы. И есть весь остальной мир, населенный лаоваями. Даже не пытайтесь понять, что это такое, просто смиритесь с мыслью, что вы - ЛАОВАИ.

Читатели старшего поколения помнят, как по приказу Мао китайцы истребляли воробьев, чтобы поднять урожайность и выплавляли во дворах чугун, когда стране не хватало металла. И это не анекдот, это страница недавней истории.

В Китае заблокирован Ютуб и Фейсбук, не работают наши любимые Telegram и WhatsApp. Однако китайцы от этого абсолютно не страдают, они пользуются своим мессенджером WeChat, подписчиков у которого больше, чем у всех остальных вместе взятых.

В описании основных принципов работы Xiner указано (дословный перевод), что «компания нацелена на сотрудничество с китайскими разработчиками систем, разрушение иностранных монополий и формирование реальной боевой мощи отечественных производителей»!

Китайская силовая электроника в первую очередь ориентирована на внутренний рынок, и свои собственные проблемы их занимают гораздо больше, чем все прочие. Нам бы так. А мудрая обезьяна будет и дальше сидеть на горе и смотреть, как тигры в долине рвут друг друга на части…

 

Техническую информацию по продукции компаний Xiner, а также CRRC, Leapers, Fusemi, Jiaensemi (IGBT), Firstack (драйверы IGBT) и Zenli (диодно-тиристорные модули) можно получить по адресу: akolpakov@unirec.ru
Условия поставки и заказ компонентов: info@unirec.ru

Продолжение следует!

Литература

1.     Материалы сайта http://www.invsemi.com/   
2.     Колпаков А. Контрольная точка или как читать datasheet между строк. Часть 1 и 2, Электронные Компоненты №6 и 9, 2006г.
3.     Колпаков А. NPT, SPT, Trench… Что дальше?, Электронные Компоненты №3, 2006г.
4.     Колпаков А. «SEMISEL 3.1 – новые возможности». Силовая Электроника №3, 2008г.
5.     Чекунов В. «Китай. Культурный шок». Издательство АСТ, 2019.