TECHNICON – ответ на вызовы современной силовой электроники

Мир силовой электроники развернулся на Восток, и мы развернулись вместе с ним. Мастерство наших инженеров и конструкторов позволило заменить силовые модули ведущих европейских и японских производителей на китайские аналоги. Однако, этот процесс до сих пор сопряжен с массой проблем и вызовов, связанных с особенностями азиатского рынка силовой электроники. Из огромного количества китайских производителей только единицы способны выпускать продукцию надлежащего качества, гарантировать стабильность параметров и их соответствие технической спецификации, обеспечивать техническое сопровождение.

Специалисты не перестают удивляться тому факту, что под одним и тем же названием можно получить модули от разных фирм, с разными чипами и топологией DBC подложки. Ответом на эти вызовы является TECHNICON – бренд, разработанный для тех, кто ценит качество и надёжность, высокий уровень технической документации и квалифицированную инженерную поддержку.

Вызовы современного рынка и концепции TECHNICON

Рис. 1. Одно название (скрыто по соображениям толерантности), одна спецификация (datasheet) – разные чипы и топологии подложки, разные характеристики… 

Проблема №1: Что у них внутри?

Многие российские разработчики сталкивались с ситуацией, когда после успешных испытаний опытной партии китайских модулей, их параметры в серийных поставках оказываются гораздо хуже. При этом зачастую от производителя не приходит никаких уведомлений об изменениях, а причина ухудшения зачастую объясняется тем, что вместо «импортных» кристаллов в серийных приборах используются «локальные» чипы.

Бывают и более возмутительные примеры (рис. 1), когда в модулях с одним и тем же названием (и, соответственно, спецификацией) устанавливаются кристаллы разного типоразмера, DBC подложка имеет разную топологию, и это никак не отображается в обозначении силового ключа. Логично, что параметры таких компонентов заметно отличаются.

Концепция Technicon:

• В силовых модулях Technicon используются чипы, разработанные на основе технологии 7 поколения MPT FS (Multi-Pattern Trench Field Stop - подробнее о IGBT Gen.7 см. далее) и выпускаемые только на одной производственной линии, что обеспечивает высокую повторяемость и стабильность параметров. 

• В силовых модулях Technicon используются изолирующие DBC подложки, имеющие только одну топологию «L», обеспечивающую оптимальное распределение тепла по поверхности базовой платы (см. рис. 2а). В варианте топологии «I» (рис. 2b), когда параллельные чипы IGBT и FWD расположены в ряд, тепловое сопротивление R_th(j-c) кристалла, ближайшего к центру модуля, оказывается на 4-5% выше, что может привести к тепловому пробою в условиях предельных нагрузок. 

а)                                                                       b)

Рис. 2. Варианты топологии и расположение чипов на DBC подложке: а) топология «L», b) топология «I» (виден тепловой пробой чипа, ближайшего к центру модуля).

• Модули Technicon имеют четкую систему обозначений, показывающую номинальные параметры, тип корпуса и тип кристалла. Файл «Type designation system» с расшифровкой обозначений можно скачать с сайта www.technicon.asia в разделе DOCs (рис. 3). 

Рис. 3. Стартовая страница сайта www.technicon.asia

• О любых изменениях в документации или продукции Technicon информирует заказчиков путем рассылки специальных уведомлений - PCN (Product Change Notification), также доступных на сайте

Проблема №2: Надежность

Замена компонентов ведущих мировых производителей на азиатские аналоги вызвала резкий рост интенсивности отказов. Если типовой показатель FIT (Failures In Time) для стандартных IGBT Infineon, Semikron, Mitsubishi, Fuji находится на уровне 100, то при их замене на продукцию китайских фирм количество выходов из строя резко выросло и в среднем (по информации от пользователей) может достигать 1-2% от общего количества и даже больше.

Причем это связано не только с низким уровнем производства и системы контроля качества. Например, в инверторах, где используется параллельное соединение IGBT, отказы, вызванные тепловым пробоем, объясняются очень большим разбросом параметров модулей, даже с одинаковым номером партии.

Напомним, что в прежние годы единственной рекомендацией производителей было использование параллельных компонентов с одним дата-кодом (т.е. выпущенных в одинаковых условиях производства). Это гарантированно обеспечивало хорошее распределение токов (небаланс в пределах 3-5%) в параллельных цепях.

Кроме того, для надежной долговременной работы силовых ключей требуется тщательное соблюдение инструкций по монтажу и нанесению термопасты, которые можно было найти на сайтах производителей. К сожалению, большинство китайских фирм такие документы не предоставляет.

Концепция Technicon:

• В процессе производства компоненты Technicon проходят 100% контроль параметров, однако это правило соблюдают все мировые лидеры. Тем не менее, в системе обеспечения качества Technicon есть существенное отличие от общепринятых норм – некоторые стандартные модули, в частности IGBT в корпусе С5 (ED3), проходят проверку качества в соответствии с автомобильными стандартами, гораздо более жесткими, чем общепромышленные, разница показана на рисунке 4. Кстати, описание тестов на надежность и соответствующие стандарты также можно посмотреть на сайте www.technicon.asia 

Рис. 4. Испытания на надежность силовых модулей для транспортных и общепромышленных применений.

• На сайте Technicon доступны для скачивания вся необходимые для проектирования и производства инструкции, в частности руководства по монтажу, параллельному соединению IGBT, а также применению модулей с предварительно нанесенной термопастой (рис. 5).

Рис. 5. На сайте www.technicon.asia есть вся необходимая техническая документация – технические спецификации (datasheet) и руководства по применению.

• По запросу стандартные IGBT Technicon поставляются с нанесенной производителем высокоэффективной термопастой (рис. 6), эта опция обозначается как М01. Использование таких компонентов упрощает производственный процесс за счет исключения важного технологического этапа, обеспечивает повторяемость и стабильность тепловых характеристик в течение срока службы, облегчает замену модулей при ремонте.

Также «по умолчанию» силовые ключи Technicon в корпусах С1 (34мм), С2 (62мм) и С5 (ED3) отбираются по параметрам в группы для параллельного соединения, группы имеют соответствующую маркировку (см. инструкцию по параллельному включению IGBT, доступную на сайте). Это гарантирует хорошее распределение токов в параллельных цепях и повышает надежность работы силовых инверторов в широком диапазоне рабочих режимов.

Рис. 6. Модули Technicon поставляются с предварительно нанесенной термопастой (опция М01) и отбором для параллельного соединения.

IGBT Gen.7 - революционная эволюция

Основными параметрами, по соотношению которых определяются базовые свойства IGBT и его «специализация», являются напряжение насыщения Vce_sat, прямое падение на диоде Vf, заряд затвора Qg, энергия переключения Esw и обратного восстановления Err. Наиболее распространенными технологиями IGBT являются NPT, SPT и Trench-FS, причем большинство современных силовых ключей производится по технологии Trench. Принципиальное отличие этого типа кристаллов состоит в структуре затвора, реализованного в форме глубокой канавки (Trench) в теле подложки (рис. 7а). В сочетании с модифицированной конструкцией эмиттера это позволяет оптимизировать распределение носителей в области подложки.

a)                                                b)

Рис. 7. Структура ячеек Trench IGBT 4 и 7 поколений 

Все последние годы кристаллы Trench 4 совершенствовались, выпускались версии для различных применений, однако эти изменения не вносили существенных улучшений в базовые параметры силовых модулей. Разработка приборов 7 поколения обозначила заметный прогресс технологии IGBT [2]. У новых чипов затвор имеет полосковую структуру с высокой плотностью ячеек, состоящих из параллельных активных и пассивных канавок (рис. 7b), поэтому такая структура получила название MPT (Multi-Pattern Trench). Это дало возможность увеличить количество носителей вблизи эмиттера и резко повысить проводимость в дрейфовой зоне. Результатом стало существенное снижение прямого напряжения (до 400 мВ для чипов 12 класса), а динамические потери новых кристаллов остались примерно на том же уровне.

Благодаря уменьшению потерь проводимости, плотность мощности IGBT Gen.7 удалось повысить до 33% в зависимости от рабочих режимов. Дальнейшее увеличение этого показателя обусловлено тем фактом, что (по заявлению производителей) температура T_j=175°C допустима в условиях кратковременной перегрузки без ущерба для надежности. Уточним, что у модулей IGBT Trench 4 в спецификациях также указывалась предельная температура чипов T_j=175°C, однако тесты показали, что для обеспечения высоких показателей надежности перегрев кристаллов не должен превышать T_j=125°C в номинальных режимах и T_j=150°C в условиях кратковременных перегрузок.

Основные особенности IGBT Gen.7:

• Напряжение насыщения V_CEsat снижено в среднем на 20%;
• Предельная температура T_jmax=175° является допустимой в условиях кратковременной перегрузки;
• Плотность мощности в пределах конструктива увеличена на 33%;
• Допустимо отключение IGBT нулевым напряжением на затворе (V_{GE_off} = 0) без риска ложных срабатываний.

Одна из главных задач силовой электроники состоит в поиске компромисса между потерями переключения для высокочастотных применений и потерями проводимости для тех случаев, когда основной задачей является максимальная отдача мощности. Важным критерием качества и надежности силовых ключей является равномерное распределение токов между параллельными чипами (или модулями) и отсутствие паразитных осцилляций при их коммутации. При разработке технологии IGBT 7 большое внимание также уделялось обеспечению совместимости с существующими компонентами 4 поколения для простоты модернизации выпускаемого оборудования.

Параметры чипов IGBT MPT FS в первую очередь ориентированы на применение в моторных приводах средней мощности. Эти компоненты обеспечивают низкие потери переключения в условиях переходных процессов до 5кВ/мкс – такая крутизна фронтов является предельной для электрических двигателей. Компания Technicon предлагает модули 7 поколения, а также быстрые IGBT (Fast Trench) в стандартных промышленных корпусах С1 (34мм),  С2 (62мм), С5 (ED3) и специализированном конструктиве для гибридного и электрического транспорта С6 (HPD). Силовые ключи с рабочим напряжением 1200В и 1700В выпускаются в диапазоне рабочих токов 100А…950А. Посмотреть полную номенклатуру, а также скачать технические спецификации (datasheet) можно на сайте компании.

IGBT Gen.7: 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 R_th 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 R_th, тем более что тепловое сопротивление R_th(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 3 1200В/450А компании Technicon (TE450GB12C5R7) с одним из лучших европейских аналогов 4 и 7 поколения. Опытный специалист сразу поймет, о чем идет речь. Полученные результаты приведены в Таблице 1. 

Таблица 1. Сравнительные характеристики Trench IGBT 4 и 7 поколения в корпусе Econo-Dual 3 (1200В/450А)

Примечание^1* Величина Q_g  IGBT Competitor нормирована для V_GE=-15/+15B, TE450GB12C5R6 – для V_GE=-10/+15B

Анализ параметров в Таблице 1 показывает, что статические потери IGBT TE450GB12C5R7 находятся практически на уровне референтного модуля 7 поколения, а у диода они несколько больше. Однако энергия потерь переключения IGBT и восстановления FWD у модуля Technicon меньше, что дает ему преимущество в определенных режимах работы. Также у TE450GB12C5R7 заметно ниже суммарный заряд затвора Q_G, что снижает мощность, рассеиваемую драйвером и очень важно при параллельном соединении IGBT.

Напомним, что согласно договоренности ведущих производителей IGBT величина I_Cnom, (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 I_Cnom = 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, позволяют создавать тепловые модели на основе технических спецификаций модулей (рис. 8). 

Рис. 8. Расчет тепловых режимов инвертора. Модель TE450GB12C2R7 создана на основе технической спецификации. 

Technicon предоставляет пользователям возможность провести сравнительный тепловой расчет инвертора, для чего необходимо определить основные рабочие режимы. Ввести исходные данные и задать интересующие вопросы можно на сайте www.technicon.asia

Technicon: новые горизонты для производителей силовой электроники

Бренд Technicon создан для тех, кто ценит качество, надёжность, высокий уровень технической документации и квалифицированную инженерную поддержку.

Technicon это:

• Полный производственный цикл: от разработки до упаковки.
• 100% контроль параметров и соответствие ISO/TS, AEC-Q.
• Модули IGBT Technicon уже успешно испытаны в жёстких условиях - от приводов погружных насосов до тяговых приводов гибридных автомобилей.
• Модули IGBT Technicon поставляются с предварительно нанесённой высококачественной термопастой и отбором для параллельного соединения.
• Продукция Technicon обеспечена полным набором инженерной документации и техническим сопровождением – ни один ваш вопрос не останется без ответа.

Вся линейка силовых модулей Technicon представлена в каталоге ЮниРЭК:
IGBT модули

Воспользуйтесь формой для заказа образцов и консультации наших специалистов:

ТЕХНИЧЕСКИЕ ВОПРОСЫ, ЗАКАЗ ОБРАЗЦОВ, УСЛОВИЯ ПОСТАВКИ, ПОДБОР АНАЛОГОВ

или свяжитесь с нами: info@unirec.ru; 8 (800) 511-65-20