Биполярные транзисторы

Биполярные Дарлингтон-транзисторы, достигшие предельных параметров 1400 В/200 А (на чип) и широко применявшиеся последние два десятилетия прошлого столетия, будут постепенно вытесняться и заменяться биполярными транзисторами с изолированным затвором (IGBT). Блокирующее напряжение — сейчас до 6500 В — увеличится до 8000 В. Технология утопленного канала (trench-gate), развитая в настоящее время для IGBT на 600 и 1200 В, распространится на все классы напряжений. Уменьшение потерь достигается использованием буферных слоев и тонких пластин.

Для маломощных и высоковольтных (1200 В) применений, включая силовые интегральные схемы, совершенствуются «горизонтальные» (lateral) IGBT, предельные коммутационные характеристики, которые могут обеспечить коммутацию 1200 В/5 А. Для мощных установок разработана модификация IGBT — биполярный транзистор с изолированным затвором с увеличенной инжекцией (IEGT — Injection Enhanced Gate Transistor), который объединяет преимущества IGBT по малой мощности управления, малым коммутационным потерям и широкой области безопасной работы (недостаток — высокое прямое падение напряжения из-за малой инжекции зарядов из эмиттера) с преимуществами GTO по низкому прямому падению напряжения (высокая инжекция зарядов из анода и катода). Фирма Toshiba Semiconductors производит в пластмассовых корпусах 140 х 190 мм с AlSiC-основанием 6 типов модулей: 1200 А/1700 В; 400, 800 и 1200 А/3300 В; 600 А/650 В, и 5 типов в герметичных металлокерамических корпусах прижимной конструкции: 1000 А/2500 В (075мм); 1200 А/330 В (085мм); 1200 А (085мм), 1500 А, 2100 А (0125мм)/45ОО В. 1ЕСТ-моду-ли прижимной конструкции предназначены для применения в энергетике (высоковольтные линии передачи постоянного тока, статические компенсаторы реактивной мощности), сверхмощных промышленных электроприводах, а также для высокоскоростного электрифицированного транспорта. IECT-модули паяной конструкции рекомендуются для применения в промышленных электроприводах.

Совершенствование новых поколений силовых полупроводниковых приборов (в основном классов MOSFET и IGBT) будет основываться на следующих возможных ключевых технологиях:

  • — технология тонких пластин (thin wafer technology). Для приборов силовой электроники до 1200 В применяются кремниевые пластины диаметром 150 мм (включая и эпитаксиальные) толщиной 100 мкм. К 2024 г. станет возможным использование 300 мм пластин толщиной 40 мкм, а к концу десятилетия — пластин диаметром 400 мм с такими толщинами;
  • — технология суперпереходов. Для создания высококачественных переходов широко используются технологии ионной имплантации, утопленных каналов (trench-gate) и т. п. В последующие годы они будут совершенствоваться с целью сокращения стоимости конечных приборов;
  • — технология кремния на изоляторе (SOI) предназначена в основном для диапазона малых мощностей, для создания силовых интегральных схем, включая интеллектуальные и высоковольтные;
  • — применение новых полупроводниковых материалов. Возможно промышленное применение кремниевых пластин диаметром до 200 мм, полученных методом безтигельной зонной плавки.

Основная идея развития приборов силовой электроники заключается в переходе от использования дискретных компонентов к силовым электронным системам.

Монолитная интеграция объединяет на одном кристалле силовые ключи, драйверы и схемы диагностики и защиты. В настоящее время реализована для блокирующих напряжений до 500 В и токов до 5 А. Этот диапазон мощностей будет расширяться медленно. Причина заключается в том, что не экономично получать мощные высоковольтные и сильноточные ключи в едином технологическом процессе с созданием низковольтных цифровых и аналоговых элементов управляющей части монолитного прибора.

Гибридная интеграция получила большее развитие и проходит 4 уровня (этапа):

  • — модуль;
  • — интеллектуальный модуль (IPM);
  • — интеллектуальная подсистема;
  • — интеллектуальная силовая электронная система.

Примерами системной интеграции 1 уровня являются многочисленная серия одно- и двухключевых модулей с изолированным медным или AlSiC-основанием на максимальные параметры 1200 А/3300 В — 3600 А/1200 В, напряжением изоляции до 9,6 кВ, размерами до 150 х 250 мм2; шестиключевых IGBT-модулей CEconopak, LoPak.3, 4, 5 и SKiM4, 5) с изолированным медным основанием или без него (с непосредственным прижимом А12О3 или ALN DCB-керамики на охладитель) на токи до 300 А, на ключ и напряжения 600, 1200 и 1700 В; серия модулей PIM на токи от 10 до 100 А и напряжения 600 и 1200 В, содержащих мостовые диодные выпрямители и IGBT-трехфаз-ные мосты.

На рис. 1.6 приведен пример современной конструкции многоключевого модуля, имеющего стандартные габаритноприсоединительные размеры (Есопорак, ЬоРакЗ) и максимально гибкие возможности внутренней схемотехники.

Примерами интеграции 2 уровня могут служить IPM, производимые фирмами Mitsubishi, Fuji, Hitachi, в которых наряду с мостовым трехфазным инвертором могут содержаться транзистор и диод схемы торможения, а также схемы управления и защит.

Конструкция многоключевого модуля

Рис. 1.6. Конструкция многоключевого модуля

Примером интеграции 3 уровня может служить серия интегральных интеллектуальных силовых систем БКлР (рис. 1.7), производимая фирмой Бетткгоп для напряжений 600, 1200 и 1700 В и токов до 2400 А на ключ. Серия включает двух-, четырех-, шестиключевые схемы (плюс чоппер), имеет встроенные драйверы, датчики напряжения и схемы защиты от перенапряжений на шине постоянного тока, смонтированы на охладитель с воздушным или жидкостным охлаждением, имеют гальваническую трансформаторную или оптоволоконную развязку.

Серия интегральных интеллектуальных силовых систем

Рис. 1.7. Серия интегральных интеллектуальных силовых систем

Важной проблемой при системной интеграции являются стандартизация силовых систем на каждом уровне, сопряжение сигналов управления и датчиков (интерфейса). Так, на уровне силовых модулей такими признанными международными стандартами являются корпуса, габаритно-присоединительные размеры и схемотехника многоключевых модулей Есопорак (ЬоРакЗ) — Eupec, Semikrort, Ixys, Powerex и др., LoPak4 и LoPak5 фирмы ABB Semiconductors или SKiM4 и SKiM5 фирмы Semikron (рис. 1.8).

Многоключевой модуль

Рис. 1.8. Многоключевой модуль

Использование многоключевых модулей серии SKiM или LoPak вместе с драйверами в едином конструктиве превращает их по существу в интеллектуальный силовой модуль (IPM) второго уровня интеграции. В схемах драйверов также стандартными являются уровни входных управляющих сигналов, степень гальванической развязки, ряды импульсных выходных токов для управления IGBT, уровни сигналов датчиков (температуры, напряжения, тока), перечень функций защиты (от перегрузки по току, включая короткое замыкание в реальном времени, перенапряжений, перегрева, неключевого режима работы транзистора, отказа в источнике питания собственных нужд драйвера).

Модули серии Econo широко применяются разработчиками в преобразователях частоты электроприводов переменного тока мощностью в десятки кВт.

Модули LoPak4 (см. рис. 1.8) иЬоРакБ имеют предельные характеристики 6 х 300 А/1200 В и 6 х 225 А/1700 В в шестиключевом исполнении и 2 х 675 А/1700В и 2 х 900 А/1200 В в двухключевом (полумостовом). Они выпускаются в двух вариантах: с медным основанием и без основания с прямым контактом DCB-керамики модуля на охладитель (Semikron). Модули имеют низкую паразитную индуктивность как внутренних выводов, так и внешних шин в шестиключевом и двухключевом применениях. Внешние силовые шины устанавливаются на болты силового модуля и прикручиваются гайками. Управляющие контакты соединяются пружинными контактами с печатной платой драйвера, конструктивно и схемотехнически сопряженной с силовым модулем и легко устанавливаемой над модулем на стойки с защелками. На рис. 1.9 приведен модуль серии ЗКІМ5 с драйвером ЗКН5.

Легкое запараллеливание ключей в модуле и модулей в целом позволяет использовать всего три типа модулей серии ЬоРак для инверторов мощностью от 50кВА до 1МВА.

Модуль серии 5ЮМ5 с драйвером 5КН5

Рис. 1.9. Модуль серии 5ЮМ5 с драйвером 5КН5

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >