Силовые выпрямители: стандартные технологии и пределы возможностей

Современный рынок силовой электроники требует от производителей компонентов выпуска все более мощных модулей. Одним из путей решения этой проблемы является увеличение площади кристаллов, однако этот путь сопряжен с множеством трудностей. Предельным размером чипа, обеспечивающим достаточно хорошие тепловые и электрические характеристики в условиях существующих технологий, считается 20×20 мм², и над расширением этих рамок работают ведущие производители силовых модулей.

Впроцессе эволюции силовых полупроводниковых ключей происходит непрерывное увеличение допустимой плотности тока, сопровождающееся постоянным снижением уровня статических и динамических потерь. Каждый год производители чипов находят новые технологические приемы, позволяющие существенно уменьшить перегрев кристаллов и повысить номинальный ток иногда даже при меньшей площади чипа. Однако технологии производства самих силовых модулей меняются очень мало — это по-прежнему паяное соединение чипов, керамики и базовой платы с высоким тепловыделением на всех конструктивных слоях. Единственным существенным новшеством на этом пути следует признать «безбазовую» конструкцию модулей (baseless pressure contact technology), разработанную и широко применяемую компанией SEMIKRON.

Для MOSFET и IGBT силовых ключей задача наращивания тока решается путем параллельного соединения большого количества кристаллов. Положительный температурный коэффициент напряжения насыщения, свойственный современным технологиям IGBT, делает процесс соединения чипов достаточно простой задачей. Параллельное включение диодов и особенно тиристоров представляет собой гораздо более серьезную проблему из-за отрицательного теплового коэффициента и большого разброса динамических характеристик.

При выборе полууправляемого или управляемого выпрямителя для питания инвертора разработчику необходимо использовать модуль с соответствующими токовыми характеристиками, обеспечивающими требуемое значение выходной мощности. При этом желательно, чтобы модули, используемые в составе выпрямителя и инвертора, имели идентичный конструктив (это позволит упростить топологию силовых соединительных шин преобразователя).

Решение последней задачи значительно упростилось с появлением на рынке модулей в корпусах высотой 17 мм. Пионерами в разработке таких конструкций были европейские компании SEMIKRON и EUPEC (ныне Infineon). Семейство IGBT в конструктиве SEMiX появилось в производственной программе компании SEMIKRON в 2004 году [1, 2], а годом позже в таких же корпусах была выпущена серия выпрямительных мостов в различных конфигурациях [3]. Выпуск модулей SEMiX определяет новые стандарты в разработке компактных силовых преобразовательных устройств. Как показано на рис. 1, все компоненты семейства имеют одинаковую высоту и способ крепления. Для подключения сигнальных выводов используются пружинные контакты, что существенно упрощает подключение платы управления и повышает устойчивость конструкции к вибрационным воздействиям. В качестве опции предлагается и стандартный способ подключения.

Наличие выпрямительных мостов и модулей IGBT в идентичных корпусах позволяет применить для их соединения одну DC-шину с разнесенными по краям входными и выходными терминалами. Использование такой шины способствует упрощению конструкции преобразователей, снижению габаритов, уменьшению паразитных индуктивностей линий связи, что, соответственно, повышает надежность работы в динамических режимах.

Требования повышения компактности при одновременном увеличении мощности, выдвигаемые со стороны современного рынка, требуют от производителей не только разработки новых конструктивов. Добиться существенного улучшения показателей можно только преодолев ограничения по размеру кристаллов (20×20 мм²) для стандартных модулей в изолированных корпусах. Для этого необходимо принципиально усовершенствовать многие технологии, используемые при производстве, в частности процессы пайки кристаллов и ультразвуковой сварки их выводов. Неизбежно также изменение всей архитектуры силового модуля, что обусловлено повышенными токовыми нагрузками в номинальных и перегрузочных режимах и необходимостью более эффективного отвода тепла.

Увеличение размера чипа требует решения ряда конструкторских и технологических задач. На рис. 2а показан CAD-образ тиристорного выпрямителя в корпусе SEMiX, имеющего номинальный ток 300 А при температуре корпуса T_c = 85 °С. Он был разработан специально для анализа вопросов, связанных с увеличением размера чипа. Одной из основных проблем при этом является увеличение градиента температуры по поверхности. Результаты моделирования перегрева кристалла в зависимости от расстояния до его центра показаны на рис. 2б. Кривые демонстрируют перегрев по краю кристалла (синий график) и в его центральной области (красный график) относительно температуры корпуса.

Тепловая модель предполагает, что кремниевый чип припаян к керамической DBC плате, которая в свою очередь соединена с медным основанием толщиной 3 мм также с помощью пайки. Виртуальный модуль «установлен» на медный радиатор с жидкостным охлаждением через слой теплопроводящей пасты толщиной 50 мкм. Температура радиатора задана равной 10 °С, тиристорный чип рассеивает мощность 360 Вт при токе 300 А. Как показывает моделирование, перепад температуры в теле кристалла достигает 15 °С между наиболее нагретым центром и краями, что подтверждает предположение, сделанное выше. Из-за повышенной концентрации тепловых потерь перепад температур на поверхности чипа возрастает с увеличением его размера, и это является одним из основных ограничивающих факторов.

Следует отметить, что использование термозависимых характеристик полупроводников (например, зависимости прямого падения напряжения от температуры в соответствии с характеристикой V_F = f(T_j)) может привести к недооценке или ошибке в определении пиковой температуры кристалла. Такой метод, широко применяемый для косвенного определения перегрева кристаллов диодов и IGBT, позволяет рассчитать интегральное значение температуры чипа по прямому падению напряжения, измеренному при малом токе (обычно 100 мА). Анализ распределения температуры в теле чипа показывает, что интегральное значение, полученное на основании V_F, примерно на 70% превышает минимальное значение (на краю кристалла) и оказывается на 30% ниже максимума (в его центре). Для случая, приведенного на рис. 2б, интегральная температура составляет 60 °С, при этом максимальное значение T_j приближается к 66 °С. Как было указано выше, разница между двумя этими значениями растет при увеличении размера чипа.

На рис. 3а показано изображение кристалла (размером 24,3×24,3 мм) тиристора, сделанное инфракрасной (ИК) камерой. Полууправляемый модуль SEMiX, тепловые режимы которого исследовались ИК-камерой, имеет такую же архитектуру, систему охлаждения и электрические параметры, как и виртуальный модуль, тепловая модель которого была рассмотрена выше. Снимок был выполнен на модуле со снятой крышкой и без заливки силиконовым гелем, все поверхности внутри модуля покрывались тонким слоем специального порошка для выравнивания коэффициента эмиссии при исследовании в ИК диапазоне. Анализ полученного изображения подтвердил высокую достоверность результатов моделирования: максимальная измеренная температура кристалла составляет 68 °С, минимальная (на краю чипа) — 50 °С.

Следующим критическим аспектом конструкции сильноточного выпрямительного модуля является обеспечение повышенной номинальной токовой нагрузки. Конструкция существующих полумостовых модулей, нормированных на меньшие токи, обеспечивает надежное протекание тока по шинам керамической DBC платы от минусового силового терминала до кристалла нижнего плеча. При рассматриваемом в статье увеличении размера кристалла и повышении среднего тока выпрямителя I_TAV до значения 300 А тепловые режимы полууправляемого или управляемого выпрямителя выходят за допустимые пределы.

Снимок, приведенный на рис. 3а, показывает, что даже более мощный контакт сечением 1,5×5 мм² перегревается в области сужения на 30–40 °С относительно температуры радиатора. В то же время использование специализированных терминалов с увеличенным сечением может повлиять на работу модуля и его надежность. На рис. 3б показан один из множества вариантов модели конструктива модуля, выполненной методом конечных элементов. Задача данной модели — нахождение оптимальной геометрии силового вывода и исследование его влияния на весь конструктив. Рисунок демонстрирует механическую деформацию модуля, происходящую при его охлаждении от температуры солидуса (перехода в твердое состояние при пайке) припоя до комнатной температуры. Деформация слоев конструктива, происходящая вследствие различия коэффициентов теплового расширения (КТР), в данном случае оказывается очень большой, коэффициент деформации в некоторых точках превышает 40.

Механические напряжения в самом терминале, образующиеся при его охлаждении от температуры плавления припоя до комнатной, показаны на рис. 3в. Модель, созданная на основе метода конечных элементов, также демонстрирует очень высокий уровень деформаций. Конструкция вывода разрабатывалась и оптимизировалась для достижения оптимального соотношения между токовыми и тепловыми характеристиками, а также механической прочностью и гибкостью.

Следующей проблемой, которую необходимо решить при разработке сильноточного выпрямительного модуля, является обеспечение надежной работы при пиковых токах перегрузки I_TSM. Для модуля, обсуждаемого в данной статье, целевым значением является I_TSM = 9300 A при комнатной температуре. Выполнение этого требования возможно только в случае, если все токоведущие элементы модуля — шины DBC платы, выводы кристалла, электрические соединения и выходные терминалы—рассчитаны на соответствующую плотность тока. Известно, что критической точкой, наиболее чувствительной к токовым перегрузкам, является соединение выводов кристалла с металлизированными шинами DCB платы, выполняемое методом ультразвуковой сварки. Для повышения нагрузочной способности используется специальная топология соединения выводов чипов, а связи с точками подключения терминалов выполняются предельно короткими.

На рис. 4а представлен один из вариантов соединения выводов кристалла тиристора нижнего плеча в полумостовом модуле SEMiX. Красная линия показывает кратчайший путь протекания тока от минусового терминала к катоду тиристора через его алюминиевые выводы и далее через металлизацию DBC — к АС терминалу. При использовании такой топологии наблюдается значительный токовый дисбаланс, особенно сильно проявляющийся в перегрузочных режимах. Проблема была решена с помощью увеличения длины соединительных проводников в области чипа и снижения количества точек сварки. Это не повлияло на распределение тока в номинальных режимах, однако значительно повысило стойкость в перегрузочных режимах.

Перегрузочные характеристики кристалла повышенной площади, соответствующие полусинусоидальному импульсу тока амплитудой 9000 А и длительностью 10 мс показаны на рис. 5а. Расчетный уровень потерь мощности при этом токе составляет 72 кВт. Проводить измерения температуры в данном режиме с помощью ИК-камеры крайне трудно из-за малой длительности импульса тока. Но поскольку тепловая постоянная времени рассматриваемого конструктива достаточно велика, инфракрасное изображение может обеспечить достаточно хорошую аппроксимацию тепловых эффектов, сопровождающих короткий перегрузочный импульс.

На рис. 4б показано изображение, полученное с помощью ИК-камеры сразу после подачи импульса перегрузки 9000 А на кристалл повышенной площади (рис. 4а и б по своим геометрическим размерам и координатам совпадают). Как видно из рисунка, температура выводов кристалла (особенно коротких проводников в районе минусового контакта модуля) местами превышает 160 °С. Поскольку у ИК-камеры нет режима внешней синхронизации, изображение, представленное на рис. 4б, не может быть использовано для точного измерения температуры. Картинка получена спустя достаточно неопределенное время после подачи импульса перегрузки, однако она позволяет определить, что выводы не только сильно перегреваются, но и сохраняют высокую температуру дольше остальных токоведущих частей.

Многочисленные исследования различных вариантов конструкции и топологии соединения позволили разработать вариант модуля, удовлетворяющий всем требованиям по электрическим и тепловым характеристикам. Конструкция полумостового тиристорного модуля SEMiX в его окончательном виде (без крышки и заливки силиконовым гелем) показана на рис. 5б.

Для оценки надежности силовых модулей при различных условиях эксплуатации они проходят специальные квалификационные тесты. Одним из самых важных видов испытаний, позволяющим оценить надежность всей конструкции модуля, является пассивное термоциклирование (temperature cycling test), при котором изделие подвергается воздействию большого внешнего перепада температуры. При этом различные элементы конструкции, меняющие свои линейные размеры вследствие различия КТР, подвергают модуль сильным механическим напряжениям. Если многократное термоциклирование не приводит к повреждению структуры модуля, конструкцию можно считать надежной, способной работать в самых жестких условиях воздействия внешней среды.

На рис. 6 приведены изображения, полученные с помощью сканирующего акустического микроскопа (SAM — Scanning Acoustic Microscope). На фотографиях показаны изображения паяного соединения кремниевого чипа с керамической DBC подложкой и DBC подложки с медным основанием модуля SEMiX до и после тестов. Перед испытаниями (рис. 6а) состояние паяного слоя чипа равномерное, пустоты отсутствуют по всей поверхности контакта. На соединении керамики и базовой платы наблюдаются небольшие лакуны, однако они находятся на границе или вне зоны установки чипов и практически не ухудшают теплоотвод.

Те же изображения после 150 пассивных испытательных циклов с градиентом температуры –40…+125 °С показаны на рис. 6б. Белая зона, выделенная синим пунктиром в нижней части рисунка, является областью разрушения паяного слоя DBC платы, произошедшего вследствие различия КТР меди и керамики. Тем не менее, показанное отслоение наблюдается вне зоны расположения чипа, что видно на верхней части рисунка. Отметим, что белый цвет соответствует зонам с сильным отражением акустического сигнала. Поскольку SAM-изображение показывает состояние контакта на стороне медной базовой платы модуля, отражение сигнала в зоне паяного соединения керамики снижает уровень сигнала из более глубоких слоев. Следствием этого является появление темных областей, наблюдаемых в глубине паяного слоя на верхней части рисунка, и эти области также находятся вне зоны установки кристаллов. Полученный результат считается удовлетворительным для 150 циклов с перепадом 145 °С, поскольку в соответствии со стандартами, выработанными на основе статистических данных, для подтверждения надежной работы модулей в реальных условиях в течение всего срока службы достаточно проведения ускоренных испытаний, включающих только 100 подобных циклов. Близкие цифры были получены при испытаниях большой партии изделий. Следует также отметить, что все тестируемые модули сохранили свои изоляционные свойства.

Активное термоциклирование (power cycling test) является не менее важным видом испытаний, так как при этом имитируется работа модуля в реальных условиях и создаются соответствующие электромеханические стрессы. При данном виде испытаний кристаллы модуля нагреваются за счет активных потерь мощности при протекании сквозного тока. Несколько выпрямительных модулей соединяются последовательно, чипы нижнего и верхнего плеча проводят по очереди соответствующую полуволну переменного тока частотой 50 Гц. После достижения кристаллами предельной температуры нагревающий ток отключается, и модуль охлаждается до минимальной температуры цикла с помощью системы охлаждения. Данный цикл повторяется до тех пор, пока не будет зафиксирован отказ, выраженный в резком повышении прямого падения напряжения или теплового сопротивления.

На рис. 7 представлены предварительные результаты тестов на активное термоциклирование, проводимых на полумостовом тиристорном модуле SEMiX. Мониторинг температуры производится с помощью термопар, установленных на чипах. Поскольку управляющий вывод тиристора расположен в центре кристалла, термопара располагается на крае, в результате чего измеряемая температура всегда ниже максимального значения. Нагревающий ток выбирается из области допустимых значений для данного типа выпрямителя, он рассчитывается исходя из известного графика распределения тепла по поверхности чипа. Кроме того, предполагается, что тепловое сопротивление R_thjc испытываемого модуля имеет максимально возможное значение. Благодаря тому, что реальное значение теплового сопротивления всегда несколько ниже предельной величины, температура кристаллов оказывается ниже максимально допустимого значения.

Кривые, приведенные на рис. 7, показывают изменение температуры кристаллов (24,3×24,3 мм) верхнего (TOP — красные графики) и нижнего (BOT — синие графики) плеча тиристорного полумостового модуля SEMiX. Графики соответствуют перепаду температуры в начале испытаний (тонкие линии) и после 4700 циклов. У ключей ТОР минимальная и максимальная температура в начале и конце тестов почти не меняется, а тиристоры нижнего уровня демонстрируют некоторое увеличение температуры перегрева в конце испытаний. Причиной этого является рост теплового сопротивления модуля (предельно допустимым значением считается увеличение R_thjc на 20% относительно номинального значения).

Заключение и выводы

На современном рынке силовой электроники конструктивы, подобные SEMiX, становятся новым промышленным стандартом. Практически все перспективные разработки как на Западе, так и в России ориентированы на применение модулей данной конструкции, что обусловлено их очевидными преимуществами:

• одинаковый способ крепления модулей разных типоразмеров;
• меньший уровень статических и динамических потерь;
• более высокая плотность тока;
• простота установки драйвера;
• разнесенные силовые терминалы DC-шины и АС-выхода;
• простота подключения DC-шины, меньшие значения распределенных параметров;
• возможность создания компактных плоских конструкций.

Для монтажа и подключения диодных и тиристорных мостов SEMiX и модулей IGBT SEMiX используются одинаковые технологии. Благодаря этому у разработчиков появилась реальная возможность проектировать силовой каскад частотного преобразователя как единый конструкционный элемент, использующий общее звено постоянного тока и систему охлаждения.

На рис. 8 показан полный спектр выпрямительных и IGBT модулей, входящих в семейство SEMiX. Приведенные на рисунке элементы предназначены для построения преобразователей мощностью до 150 кВт. Модули IGBT выпускаются в полумостовой, 3-фазной и чопперной конфигурации, а выпрямители представляют собой неуправляемые и полууправляемые полумосты и 3-фазные мосты.

Разработка серии диодно-тиристорных мостов в конструктиве SEMiX дает возможность перейти к принципиально новой концепции конструирования силовых импульсных преобразователей, при которой входной выпрямитель и модули IGBT имеют общее звено постоянного тока. Такая конструкция позволяет снизить общие потери преобразователя, упростить топологию соединений и систему охлаждения, снизить общий объем и вес изделия. Благодаря идентичной конструкции и одинаковому способу подключения выпрямителей и IGBT модулей семейства SEMiX DC-шина с банком конденсаторов может быть подключена непосредственно к сборке «выпрямитель–инвертор».

Единственным путем повышения мощности преобразователей в рамках описанной концепции является использование кристаллов выпрямителей повышенной площади. Приведенные в статье данные показывают, что стандартные технологии производства силовых выпрямительных модулей позволяют увеличивать размер используемых в них кристаллов до 24,3×24,3 мм². При тщательной проработке конструкции и топологии соединений это позволяет расширить мощностные возможности модулей без ущерба для их надежности, что подтверждается результатами испытаний на термоциклирование.

Дальнейшее увеличение размеров чипов в рамках существующей архитектуры силовых модулей возможно при использовании новых технологий подключения кристаллов. Прежде всего, это полосковые соединители, допускающие гораздо более высокие значения плотности токов и показанные на рис. 9а. Поскольку возможности паяных соединений ограничивают количество тепла, которое необходимо отводить от более мощных чипов, в качестве альтернативы им предлагается технология диффузионного спекания. Фотография кристалла тиристора повышенной площади, установленного на токоведущую шину DBC платы, показана на рис. 9б.

Литература

1. Grasshoff T., Steger J. New flat SEMiX® input rectifiers for a simple converter design. SEMIKRON International GmbH.
2. Scheuermann U., Ebersberger F. Packaging of Large Area Power Chips — Extending the Limits Of Standard Modules Technology. SEMIKRON Elektronik Proc. CIPS 2006.
3. Колпаков А. SEMiX + SKYPER = адаптивный интеллектуальный модуль IGBT // Силовая электроника. 2005. № 1.
4. Колпаков A. SEMiX — мост между прошлым и будущим // Силовая электроника. 2005. № 4.