Технологии силовой электроники сегодня и завтра – модули SKAI, SKiiP и SKIM

24 декабря 2013

логотип

Компания SEMIKRON — создатель ряда технологий силовой электроники, ставших промышленным стандартом, — старается не только быть в курсе новейших тенденций рынка, но и на шаг опережать их. Одной из основных задач компании является преодоление действующих технологических ограничений, без чего невозможен дальнейший прогресс.

Хорошо отработанные и применяемые всеми ведущими производителями технологии пайки (чипы, DBC-подложка), ультразвуковой сварки (выводы кристаллов, терминалы модулей) и нанесения теплопроводящей пасты на нынешнем этапе развития силовой электроники можно считать пережитками прошлого. Главной их проблемой является невозможность расширения температурного диапазона и дальнейшего повышения плотности мощности. Альтернативой устаревшим производственным процессам является метод низкотемпературного спекания (Sintering) [1], внедренный SEMIKRON в серийное производство с 2009 г., а также перспективная пленочная технология SKiN [5].

Одним из глобальных направлений современной промышленной стратегии является защита окружающей среды и применение экологически чистых производственных процессов. Использование возобновляемых источников энергии и высокоэффективных конверторов служит непременным условием решения экологических проблем, что повышает значение силовой электроники, отвечающей за преобразование и передачу энергии. Соответственно, перед производителями элементной базы и готовых решений встает задача повышения эффективности и надежности при одновременном улучшении массогабаритных показателей.

В области транспорта основные усилия SEMIKRON направлены на развитие и совершенствование гибридного и электрического привода, применение которого позволяет сохранить природные ресурсы и играет ключевую роль в борьбе с вредными выбросами. Наиболее важными задачами силовой электроники являются повышение плотности мощности, надежности и компактности преобразовательных устройств. Улучшение энергетических показателей требует решения проблемы параллельного и последовательного соединения силовых ключей, а также обеспечения эффективного отвода тепла.

Упомянутые выше требования должны быть выполнены, несмотря на их противоречивость. Они предъявляются не только новыми рынками возобновляемых источников энергии и электротранспорта, но и основным потребителем силовой электроники — сектором частотно-регулируемого привода (ЧРП). Рынок ЧРП огромен как по номенклатуре выпускаемой продукции, так и по энергопотреблению, поэтому повышение эффективности приводных инверторов является главным направлением на пути сбережения энергии.

Транспортный привод: надежность, компактность и высокая эффективность

Хорошие массогабаритные показатели при высокой надежности, а также способность работать в условиях жестких климатических и механических воздействий — вот основные отличия современного транспортного привода. Чтобы удовлетворить этим требованиям, компания SEMIKRON отошла от традиционных методов построения силовых полупроводниковых модулей и в начале 90 гг. создала технологию прижимного контакта — SKiiP.

На рисунке 1 показана одна из последних разработок SEMIKRON — интеллектуальный блок привода SKAI 2 [1]. Его конструкция является примером удачного компромисса электрических, механических и тепловых характеристик. Модуль SKAI 2 представляет собой полностью законченную систему, содержащую силовой каскад, схему управления и защиты, специализированный контроллер, теплоотвод. При минимальных размерах (объем 5,7 л) блок обеспечивает требуемые для данного применения мощностные характеристики, его показатели надежности соответствуют новейшим европейским транспортным стандартам.

Интеллектуальные модули привода SKAI 2:

 

Рис. 1. Интеллектуальные модули привода SKAI 2: а) высоковольтная (HV) и б) низковольтная (LV) версии

Эффективное значение выходного тока инвертора SKAI 2 LV составляет 400 А при напряжении питания до 200 В. Привод может быть смонтирован непосредственно на ведущей оси, при этом он способен работать при вибрационных воздействиях до 12g, ударах с ускорением до 100g и температуре окружающей среды -40…85°C.

Все компоненты семейства SKAI построены на основе единой архитектуры, показанной на рисунке 2. Ядром системы является силовая секция, содержащая MOSFET или IGBT-инвертор, банк конденсаторов, датчики тока, напряжения и температуры, систему охлаждения и EMI-фильтр. Блок также содержит драйвер затворов со схемой защиты, изолированный источник питания и DSP-контроллер.

Типовая архитектура SKAI

 

Рис. 2. Типовая архитектура SKAI

Модули SKAI могут поставляться с управляющим контроллером и без него, в первом случае система имеет программное обеспечение (ПО) QUASAR, осуществляющее векторный замкнутый контроль привода и гарантирующее непрерывное управление электрической машиной в широком диапазоне изменения магнитного поля. Контроллер QUASAR получает команды от центрального процессора по CAN-шине и конвертирует их в сигналы управления скоростью или моментом. В качестве исполнительного устройства может использоваться бесколлекторный DC-мотор, синхронная машина с постоянными магнитами или асинхронный двигатель. Существует возможность адаптации ПО в соответствии с техническими требованиями заказчика.

Элементы системы SKAI размещены в герметичном корпусе IP67, на котором находятся силовые терминалы для подключения питания и двигателя, сигнальный интерфейс CAN, а также вспомогательные аналоговые и цифровые выводы. Моторные сенсоры (температуры, положения и скорости) могут подключаться непосредственно к выводам модуля.

Высоковольтная версия SKAI 2HV мощностью до 250 кВт предназначена для применения в гибридо- и электромобилях, а также автомобилях и автобусах с гибридной силовой установкой. Она имеет жидкостное охлаждение, силовой инвертор построен на базе IGBT с рабочим напряжением 600 или 1200 В. В состав SKAI 2 HV входит новейший силовой модуль SKiM 93 [6] прижимного типа, в котором полностью отсутствуют паяные соединения, а для установки чипов впервые использована технология низкотемпературного спекания. Устройство содержит звено постоянного тока на основе полипропиленовых конденсаторов, плату управления и защиты, DSP-контроллер последнего поколения, EMI-фильтр, а также датчики тока, напряжения и температуры.

Готовые решения: максимальная плотность мощности и кратчайший путь на рынок

В 2011 году SEMIKRON представил четвертое поколение модулей SKiiP [2], отличающихся повышенной на 30% плотностью мощности и улучшенными тепловыми характеристиками. В SKiiP 4 использованы кристаллы нового поколения IGBT Trench 4 и FWD CAL 4, установленные на подложку с помощью метода низкотемпературного спекания [3], что позволило полностью отказаться от паяных соединений. Для управления силовой секцией применен цифровой драйвер, передача данных в котором производится потоком высокочастотных импульсов по дифференциальному каналу. Драйвер снабжен диагностическим CAN-интерфейсом.

Благодаря цифровому алгоритму управления и применению функции IntelliOff, модули 17 класса могут безопасно эксплуатироваться при напряжении DC-шины до 1300 В. Силовые ключи SKiiP 4 успешно работают в современных оффшорных ветротурбинах, отличающихся наиболее жесткими условиями эксплуатации. В состав семейства входит самый мощный на рынке силовой электроники полумостовой IPM SKiiP 3614 GB17E4 с номинальным током 3600 А.

Для обеспечения высоких показателей надежности модули SKiiP в процессе изготовления проходят уникальный тест в составе четырехквадрантного преобразователя ветроэнергетической установки при полной нагрузке, повышенной температуре и предельном напряжении питания. Основной целью испытаний является определение ключевых причин ранних отказов и их устранение. Силовые ключи подвергаются двум циклам воздействий с предельной нагрузкой при температуре охлаждающей жидкости 80°C. Нагрев силовых кристаллов при этом достигает 140°C, что обеспечивает максимальный термомеханический стресс для всей конструкции силового ключа.

На выставке PCIM-2010 компанией SEMIKRON была представлена новая концепция силового преобразователя, предназначенного для применения в энергетических установках высокой мощности. Сборка SEMISTACK RE (рисунок 3) представляет собой трехфазный инвертор на базе интеллектуальных модулей SKiiP 2414GB17E4, содержащих силовой каскад, схему управления и защиты, датчики тока и температуры, а также радиатор. Широкий диапазон топологий схем, возможность выбора способа охлаждения, простота параллельного соединения позволяют применять эту сборку в конвертерах различных энергетических систем высокой мощности. Прежде всего, новая разработка ориентирована на новейшие типы ВЭУ с синхронным генератором и полноразмерным четырехквадрантным конвертером.

Сборка 3-фазного инвертора мощностью 1,5 МВт на базе модулей 4 поколения SKiiP 2414GB17E4 (17 класс, номинальный ток 2400 А)

 

Рис. 3. Сборка 3-фазного инвертора мощностью 1,5 МВт на базе модулей 4 поколения SKiiP 2414GB17E4 (17 класс, номинальный ток 2400 А)

Базовый конструктив SEMISTACK RE включает три фазных ячейки, соединенные в вертикальном положении. Каждая ячейка содержит полумостовой модуль SKiiP (номинальный ток 1800 или 2400 А), звено постоянного тока (ЗПТ) с полипропиленовыми конденсаторами и снабберами, а также терминалы для подключения АС-выходов. Элементы сборки устанавливаются на жесткой раме, связь ЗПТ с DC-терминалами осуществляется посредством низкоиндуктивных шин. Фазные блоки соединяются между собой копланарными коннекторами, позволяющими сформировать 2Q- или 4Q-конфигурацию, а также включить модули SKiiP в параллель, удвоив таким образом мощность инвертора. Параллельное соединение самих трехфазных инверторов дает возможность довести входную мощность преобразователя до 6 МВт без применения выравнивающих индуктивностей.

При сборке преобразователей в различных конфигурациях используется одинаковый набор механических частей. Благодаря этому в рамках одного базового конструктива можно изготовить инвертор для различного типа ветро- или гидротурбин, солнечных батарей, приводов и т.д.

К началу 2012 года ячейка SEMISTACK RE прошла полный цикл квалификационных тестов, став, таким образом, стандартным изделием с четко определенным набором технических характеристик и условий эксплуатации. Документация на нее доступна на сайте www.semikron.com. Как и все другие сборки, выпускаемые дизайнерским центром SEMIKRON, данное изделие подвергается различным видам испытаний, условия проведения которых соответствуют международным и собственным стандартами компании. Тесты включают проверку изоляции и электрических характеристик, термотренировку при полной нагрузке, термоциклирование, устойчивость к короткому замыканию.

Использование гибких базовых платформ, к которым относится SEMISTACK RE, предоставляет пользователям широкие возможности по выбору конфигурации схемы и диапазона мощности. Производитель готовой системы избавляется от необходимости проектировать силовую часть преобразователя, закупать комплектующие, заниматься изготовлением и испытаниями конвертора. Соответственно, исключаются риски, связанные с перечисленными этапами разработки и производства, существенно сокращается время вывода изделия на рынок.

В фокусе: технологии корпусирования

Как было упомянуто выше, стандартные способы корпусирования силовых модулей определяют технологические пределы, расширение которых необходимо для повышения плотности мощности, улучшения тепловых и электрических характеристик.

  • Паяные соединения. Самым проблемным узлом стандартных модулей является паяный слой, соединяющий базовую плату с изолирующей DBC-подложкой. Разница коэффициентов теплового расширения (КТР) меди и керамики приводит к возникновению термомеханических стрессов при колебаниях температуры модуля, вызванных изменениями внешних условий и собственным тепловыделением. Вследствие термоциклирования происходит накопление усталости в паяном соединении и его постепенное расслоение. Это приводит к увеличению теплового сопротивления, перегреву кристаллов и выходу силового ключа из строя [4]. Вторичными эффектами термоциклирования являются разрушение паяного слоя чипов и отрыв алюминиевых выводов.
  • Базовая плата. Медная (или композитная) базовая плата- один из самых тяжелых, габаритных и дорогих узлов силового ключа. Будучи промежуточным элементом между радиатором и DBC-подложкой, она во многом определяет тепловые и механические характеристики модуля. Разница КТР сопрягающихся слоев является причиной т.н. биметаллического эффекта, приводящего к напряжениям и изгибам базы, ухудшению теплового контакта с радиатором. Даже при идеальной плоскостности поверхности теплостока необходимо применять теплопроводящую пасту, заполняющую воздушные зазоры, которые могут возникать вследствие биметаллического эффекта. Учитывая реальную неоднородность сопрягаемых поверхностей, толщина слоя пасты должна быть не менее 50мкм. Отметим, что тепловое сопротивление Rth самых лучших теплопроводящих материалов в 400 раз хуже, чем у меди, поэтому их вклад в общее значение Rth(j-a) «чип- окружающая среда» достигает 30%!
  • Топология соединений кристаллов. В модулях с током 150А и выше кристаллы соединяются в параллель на DBC-подложке, что позволяет обеспечить требуемые нагрузочные характеристики. Одной из главных проблем параллельного соединения является симметрирование токов в параллельных цепях. В статических режимах выравнивание обеспечивается за счет положительного температурного коэффициента VCEsat, однако для динамической балансировки требуется идеальная симметрия цепей, что на практике не всегда достижимо. Следствием разбалансировки является разница импульсных токов чипов, что особенно опасно в режиме предельных токов и КЗ. Именно поэтому в технических характеристиках приводятся данные, относящиеся к самому нагруженному кристаллу. Отметим также, что токонесущие цепи (шины и выводы чипов) имеют распределенную индуктивность, создающую перенапряжение при выключении, поэтому их длина должны быть минимизирована.
  • Температура кристалла. Развитие IGBT-технологий идет по пути утоньшения кремниевых структур и уменьшения размеров ячеек. Это позволяет не только снизить уровень потерь, но и уменьшить стоимость ключей за счет сокращения расхода кремния. Более тонкий чип обеспечивает большую плотность тока, за последние годы развитие тонкопленочных технологий позволило повысить этот показатель на 35%. Одновременно шло расширение температурного диапазона кристаллов, для IGBT четвертого поколения максимальная рабочая температура повышена до 175°С.

Сказанное позволяет делать преобразовательные устройства все более компактными. Однако неизбежной платой за это является увеличение температурного градиента между кристаллами и окружающей средой, т.е. более высокий термомеханический стресс для всей конструкции. Существует правило, в соответствии с которым повышение средней температуры на 20°С сокращает ресурс примерно в два раза. Тем не менее, технологии силовой электроники будут и дальше идти в этом направлении, что связано с внедрением широкозонных структур SiC и GaN, способных надежно работать при температуре 200°С и выше.

  • Плотность тока. Каждое новое поколение IGBT и MOSFET-кристаллов отличается от предыдущего меньшими размерами и более высокой плотностью тока. При этом возможности алюминиевых проводников, традиционные используемых для соединения выводов чипов с токонесущими шинами, практически исчерпаны. Применение новых припоев, оптимизация формы и методов сварки проводников существенно увеличивают стоимость силовых модулей. Дальнейшее повышение удельных токовых характеристик связано с внедрением инновационных контактных технологий, таких как SKiN.

Описанные выше технологические ограничения стандартных методов корпусирования не связаны друг с другом, поэтому оптимальным является интегральное решение, способное кардинально повысить стойкость силовых ключей к различным видам воздействий.

Предельная рабочая температура кристаллов четвертого поколения (175°С) составляет всего лишь 18% от точки плавления серебра. Для слоя пайки этот показатель достигает 60% (см. рисунок 4), что является причиной быстрой деградации свойств стандартных модулей, работающих в условиях перегрева.

Температура плавления спеченного слоя в 6 раз выше рабочей

 

Рис. 4. Температура плавления спеченного слоя в 6 раз выше рабочей

Технология низкотемпературного спекания, позволившая преодолеть связанные с пайкой ограничения, внедрена в серийное производство SEMIKRON с 2010 г. В модулях новейших поколений она применяется для установки кристаллов на DBC-подложку и для подключения силовых терминалов. Точка плавления спеченного слоя серебряного нанопорошка (962°C) и его эластичность намного выше, чем у любого промышленного припоя, поэтому применение процесса спекания позволяет решить проблему надежности модулей с расширенным температурным диапазоном. Это дало возможность компании SEMIKRON выпустить серию специализированных модулей SKiM 63/93 и SKAI 2 для применения в электро- и гибридомобилях.

После устранения паяных соединений в конструкции силовых модулей осталось только одно технологически слабое место — алюминиевые проводники, используемые для подключения активной поверхности чипа к соединительным шинам методом ультразвуковой сварки. Проблема состоит как в их слабой токонесущей способности, так и в разности КТР алюминия, меди и кремния, приводящей к отслоению выводов вследствие термоциклирования. Поиск замены данной технологии продолжался много лет, в качестве одного из возможных решений рассматривалось применение паяных полосковых проводников.

Оптимальное решение предлагает упомянутая выше технология низкотемпературного спекания, предусматривающая соединение поверхности кристаллов с помощью гибкой структурированной пленки, на которую в местах контакта наносится серебряная паста. Токонесущие медные шины наносятся на пленку методом диффузионного напыления, их нагрузочная способность намного больше, чем у алюминиевых проводов. Кроме того, при производстве интеллектуальных модулей класса SKiiP, содержащих теплосток, спекаемая нано-паста может быть использована вместо теплопроводящего компаунда в зазоре между радиатором и DBC-платой.

Конструкция перспективного интеллектуального SKiN-модуля показана на рисунке 5. Изолирующая DBC-пластина установлена на радиаторе методом спекания, таким же способом к подложке подключены силовые терминалы. Замена теплопроводящей пасты на спекаемый слой дает возможность существенно снизить суммарное значение теплового сопротивления и увеличить плотность мощности более чем на 30%.

Концепция SKiN: низкотемпературное спекание используется для подключения выводов чипов к гибкой SKiN-плате и соединения DBC-подложки с радиатором

 

Рис. 5. Концепция SKiN: низкотемпературное спекание используется для подключения выводов чипов к гибкой SKiN-плате и соединения DBC-подложки с радиатором

Соединение выводов кристаллов производится с помощью одной гибкой SKiN-платы, что позволяет решить проблему отслоения выводов и ограничения токовой нагрузки. Контактная поверхность кремниевых чипов согласована по КТР с материалом SKiN-платы намного лучше, чем с алюминиевыми выводами, поэтому данное соединение имеет высокую стойкость к термоциклированию.

Заключение

В начале 90-х годов компания SEMIKRON представила специализированный интеллектуальный силовой модуль IPM SKiiP, предназначенный для применения в ветроэнергетических установках (ВЭУ). Впервые в мире нем была использована технология прижима, позволившая отказаться от медной базовой платы. Кроме силовой секции и платы управления, модули SKiiP имеют в своем составе датчики тока, напряжения, температуры, источник питания и систему охлаждения. Создание подобной системы высокой степени интеграции позволило удовлетворить требования производителей ветротурбин по надежности, плотности мощности, электрическим и тепловым характеристикам. Показательно, что более половины из 122 ГВт установленной мощности ВЭУ (данные 2010 года) преобразуются системами на основе модулей SKiiP.

Концепция прижимного контакта была развита в системе высокого уровня интеграции SKAI 2, разработанной с применением технологии низкотемпературно спекания. Изделие предназначено для работы в составе электропривода современных транспортных средств с электрической и гибридной силовой установкой. Компоненты SKAI 2 разработаны в соответствии с новейшими автомобильными стандартами и требованиями по надежности.

Применение SKiN-концепции открывает широкие перспективы для дальнейшего развития и совершенствования конструкции силовых модулей. С ее помощью можно производить сверхкомпактные IPM высокой степени интеграции. Метод спекания в сочетании со SKiN-технологией позволяет создавать преобразователи, отличающиеся как повышенной надежностью, так и существенно лучшими массогабаритными показателями. На рисунке 6 показан перспективный интеллектуальный модуль SKiiP X, разработанный с применением технологии SKiN. Его серийное производство должно начаться в 2014 г.

Перспективный модуль SKiiP-X, выполненный по SKiN-технологии

 

Рис. 6. Перспективный модуль SKiiP-X, выполненный по SKiN-технологии

Литература

1. П. Ньюман, А. Колпаков, «Новое поколение компактного модуля привода SKAI 2». Компоненты и Технологии №9, 2010.

2. А. Колпаков, «SKiiP 4 — новая серия IPM для применений высокой мощности». Силовая Электроника №4, 2009.

3. К. Гебл, «Технология низкотемпературного спекания в силовых модулях». Компоненты и Технологии №7, 2009.

4. А. Колпаков, «О термоциклах и термоциклировании». Силовая Электроника №2, 2006.

5. А. Колпаков, «SKiN технология — Силовая Электроника завтрашнего дня». Силовая Электроника №1, 2013.

6. А. Колпаков, «Оптимизация характеристик силовых модулей для сложных условий эксплуатации». Силовая Электроника №1, 2008.

Получение технической информации, заказ образцов, поставка — e-mail: power.vesti@compel.ru

 

 

•••

Наши информационные каналы