Руководство

по применению

“интеллектуальных” силовых модулей (IPM)

Киев 2006

Содержание

ПРИМЕНЕНИЕ “интеллектуальных” СИЛОВЫХ МОДУЛЕЙ (IPM)...................................... 5

1.1. Конструкция “разумных” силовых модулей.......................................................................... 5

1.1.1. Многослойная эпокси-конструкция................................................................................ 6

1.1.2. Непосредственносвязующая медная конструкция......................................................... 7

1.1.3. Преимущества “разумных” силовых модулей............................................................... 8

1.2. Регламентированные значения параметров и характеристик IPM........................................ 9

1.2.1. Максимальные регламентированные значения.............................................................. 9

1.2.2. Тепловое сопротивление............................................................................................... 10

1.2.4. Рекомендуемые условия работы.................................................................................. 12

1.2.5. Схемы и условия проверки............................................................................................ 12

1.3. Область безопасной работы................................................................................................. 14

1.3.1. Область безопасной работы при переключениях....................................................... 15

1.3.2. Область безопасной работы (SOA) при коротком замыкании.................................... 15

1.4. Встроенная защита IPM......................................................................................................... 16

1.4.1. Особенности встроенной защиты................................................................................. 16

1.4.2. Защита от понижения напряжения электропитания схемы управления (UV)........... 17

1.4.3. Защита от превышения температуры........................................................................... 18

1.4.4. Защита от перегрузки по току....................................................................................... 18

1.4.5. Защита от короткого замыкания (SC).......................................................................... 19

1.5. Выбор IPM.............................................................................................................................. 21

1.6. Электропитание цепей управления....................................................................................... 23

1.6.1. Мощность, потребляемая цепями управления IPM..................................................... 23

1.6.2. Указания по монтажу..................................................................................................... 36

1.6.3. Конфигурация схемы..................................................................................................... 37

1.7. Схемы интерфейса................................................................................................................. 39

1.7.1. Требования к схемам интерфейса................................................................................. 39

1.7.2. Указания по разводке схем............................................................................................ 40

1.7.3. Входные и выходные цепи IPM..................................................................................... 42

1.7.4. Подключение схемы интерфейса.................................................................................. 43

1.7.5. “Мертвое” время (t_dead)................................................................................................... 45

1.7.6. Использование сигнала неисправности на выходе FO................................................. 46

1. ВВЕДЕНИЕ.

Внедрение МОП технологии (металл - окисел - полупроводник) в область производства силовых полупроводников позволило создать принципиально новые устройства с уникальными свойствами. Особый интерес представляют биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT), которые в настояще время начинают оказывать существенное влияние на построение силовых электронных систем, предназначенных для промышленного, потребительского и военного применений.

Из рисунка 1.1. видно, что ожидается использование модулей IGBT взамен модулей MOSFET и биполярных дарлингтоновских модулей, так как они хорошо работают с “жестким” переключением на частотах до 20 кГц и с “мягким” переключением - на более высоких частотах. Они также захватывают область частот ниже диапазона 1 - 10 кГц при мощности 1 МВт, где прежде преобладали биполярные транзисторные модули.

Развитие IGBT позволило осуществить давнее стремление встроить цепи управления и защиты внутрь силового модуля и привело к появлению “разумных” силовых модулей.

1. ПРИМЕНЕНИЕ “РАЗУМНЫХ” СИЛОВЫХ МОДУЛЕЙ (IPM).

Разумные силовые модули (IPM) являются усовершенствованными гибридными силовыми устройствами, сочетающими высокую скорость переключения и низкие потери IGBT с оптимизированными схемами управления затвором и защиты. Высокоэффективные схемы защиты от перегрузки по току и короткого замыкания реализованы путем использования чувствительных к току чипов IGBT, что позволяет осуществлять непрерывное контролирование тока силовых устройств. Надежность системы увеличена объединенной защитой IPM от превышения температуры и от ненормы по напряжению электропитания цепей управления.

Компания Митсубиси Электрик ввела первую линию разумных сиовых модулей в ноябре 1991 г. Постоянное улучшение силовых чипов, технологии монтажа и цепей управления привело к появлению IPM третьего поколения.

Разумные силовые модули третьего поколения были разработаны для получения малых потерь при переключениях с целью удовлетворить требования рынка для бесшумных инверторов с рабочими частотами до 20 кГц.

1.1. Конструкция “разумных” силовых модулей

В конструкции “разумных” силовых модулей использованы многие из проверенных технологий монтажа изолированных силовых модулей, применяемых в модулях IGBT. Оптимизированное по стоимости и эффективное выполнение встроенных цепей управления затвором и защиты в широком диапазоне регламентированных токов было достигнуто при использовании двух различных технологий монтажа. В устройствах с малой мощностью применена многослойная система эпоксидной изоляции, в то время как в устройствах со средней и большой мощностью использована керамическая изоляция. IPM изготавливают в четырех типах силовых схем: одинарной (Н), двойной (D), сборке из шести (С) и сборке из семи (R). На рисунке 4.1. показаны разновидности силовых цепей.

Рис. 1.1. Разновидности силовых цепей

1.1.1. Многослойная эпокси-конструкция

Маломощные IPM (10 - 50 А, 600 В и 10 - 15 А, 1200 В) используют многослойную эпокси-систему изоляции. В этой системе применены чередующиеся слои меди и эпоксидной смолы для создания защищенной печатной схемы непосредственно на алюминиевой пластине основания. Силовые чипы и компоненты цепи управления затвором припаяны непосредственно к подложке, что устраняет необходимость отдельной пластины печатной схемы на керамическом изоляционном материале. Модули, сконструированные с использованием такой технологии, легко идентифицировать по их корпусам чрезвычайно малой толщины. Такой дизайн корпуса идеально пригоден для потребительского и промышленного применения, когда важны низкая стоимость и компактные размеры. На рисунке 1.2. показан в разрезе корпус IPM такого типа. На рисунке 1.3. представлены PM 20 CSJ 060 (20 А, 600 В IPM).

Рис. 1.2. Многослойная эпоксидная конструкция

1 - корпус

2 - эпоксидная смола

3 - вывод входного сигнала

4 - силиконогель

5 - интегральная микросхема

6 - чип IGBT

7 - чип рекуперационного диода

8 - соединяющие проводники

9 - многослойное основание

Рис. 1.3. PM 20 CSJ 060

1.1.2. Непосредственносвязующая медная конструкция

IPM с более высокой мощностью сконструированы с использованием керамических изоляционных материалов. В этих модулях применяется прямое соединение с медью (DBC), в котором медные полоски присоединяются непосредственно к керамической подложке без использования припоя. Эта подложка обеспечивает улучшенные тепловые характеристики и большую способность проводить ток, необходимые в устройствах с высокой мощностью. Цепи управления затвором и схема контроля находятся на отдельной печатной плате, смонтированной непосредственно над силовыми устройствами. Эта печатная плата представляет собой многослойную конструкцию со специальными экранирующими слоями для устойчивости к электромагнитным помехам. На рис.1.4. показана конструкция “разумного” силового модуля с использованием DBC. На рисунке 1.5. представлен PM 75 RSA 060 (75 А, 600 В IPM).

Рис. 1.4. DBC разумный силовой модуль

1 - силовой вывод

2 - печатная плата управления

3 - интегральная микросхема

4 - внутреннее соединение

5 - эпоксидная смола

6 - сигнальный вывод

7 - корпус

8 - основание

9 - чип IGBT

10 - керамическая подложка

11 - силиконовый гель

Рис. 1.5. PM 75 RSA 060

1 - силовой вывод

2 - эпоксидная смола

3 - штырь управления

4 - сигнальный вывод

5 - корпус

6 - основание

7 - силиконовый гель

8 - силиконовый чип

9 - плата DBC

10 - вывод внутреннего соединения

11 - электрод

12 - алюминиевый провод

13 - печатная плата управления

14 - резистор

15 - экранирующий слой

1.1.3. Преимущества “разумных” силовых модулей

Разумные силовые модули были разработаны и совершенствоваись путем снижения проектных и производственных расходов, а также путем улучшения рабочих характеристик системы и надежности по сравнению с обычными IGBT. Проектирование схем на модулях упрощается и гарантируется координация управления модулем при объединении цепей управления и защиты непосредственно в IPM. Уменьшенное время продажи - только одна из дополнительных выгод использования IPM. Другие включают повышенную надежность системы благодаря автоматизированной сборке IPM, испытаниям и уменьшению количества компонентов, которые должны быть куплены и собраны. Часто размеры системы могут быть уменьшены благодаря менее жестким требованиям к теплоотводу в результате уменьшения потерь модуля в открытом состоянии и при переключениях. Во всех IPM применен одинаковый стандартизованный интерфейс управления затвором с логическими схемами контроля уровня, позволяющий осуществить расширение производственной линии без дополнтелной разработки схем управления. И, наконец, способность самозащиты IPM в аварийных ситуациях снижает вероятность повреждения устройства во время испытаний, а также в условиях перегрузок.

1.2. Регламентированные значения параметров и характеристик IPM

Справочные данные IPM подразделяются на три части:

* максимальные регламентированные значения

* характеристики (электрические, тепловые, механические)

* рекомендуемые условия работы

Пределы, указанные как максимальные регламентированные значения, нельзя превышать ни при каких условиях, в противном случае может произойти разрушение IPM.

Ключевые параметры, необходимые для разработки системы, указаны как электрические, тепловые и механические характеристики.

Рекомендуемые условия работы и схемы применения должны рассматриваться при проектировании как предпочтительные.

1.2.1. Максимальные регламентированные значения

Поиск по сайту: