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

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 качали нефть и газ, китайцы укрепляли финансовую систему, поднимали альтернативную энергетику и электротранспорт, создавали микроэлектронику и силовую 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 интересным китайским производителям силовой электроники. Начнем с компании Xiner Semiconductor, хорошо известной на внутреннем рынке, как один из официальных поставщиков BYD – крупнейшего игрока на мировом рынке электротранспорта.

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


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


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 = 125C, а для чипов 4 поколения добавлены соответствующие величины для Tj = 150C.

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.


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 вы-пускаются 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 вос-требованного на рынке мощных приводов полумостового IGBT модуля Econo-Dual 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.


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 пре-красно 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 De-fined 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 драйве-ром, 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 пере-грев 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 немецкими, как у автора этих строк), знакомство с «китайским» вариантом технической поддержки вызывает, мягко говоря, удивление. На сайтах производителей техническая документация представлена только на китайском языке в лучшем случае или вообще её нет, а при запросе отправить, Вам ответят, что предоставят datasheet 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 Explana-tions, 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 та-кое, 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 компании 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!