Электронные компоненты. Дистрибьюция и сервисы с 1993 г
№2 / 2017 / статья 6

Тиристоры с малым уровнем потерь для мощных приложений

Йенс Пржибилла (Infineon), Себастьян П. Соммер (Infineon), Уве Кельнер-Вердехацзен (Infineon)

Тиристоры до сих пор остаются основными силовыми компонентами для мощных приложений, таких, например, как промышленные приводы и высоковольтные линии электропередач постоянного тока (HVDC). Промышленные приводы для насосов и компрессоров с потребляемой мощностью до 80 МВт, и даже выше, востребованы в различных областях, например, в газо- и нефтедобыче. Из-за жестких требований, предъявляемых к таким приложениям, тиристоры должны иметь как можно более высокое значение допустимой температуры кристалла (Tvj) вплоть до 125°C. Кроме того, необходимо, чтобы они обладали долговременной стабильностью и стойкостью к мощным токовым импульсам для создания высокоэффективных, мощных силовых устройств, способных безотказно работать в течение нескольких десятков лет.

Уровень потерь является основным параметром при выборе тиристоров для мощных приложений. Также имеют большое значение и должны учитываться долговременная стабильность и стойкость к мощным токовым импульсам. В настоящее время в силовых применениях используются тиристоры с классом напряжения 7…8 кВ. Это позволяет уменьшить число последовательно включенных приборов при создании преобразователей среднего диапазона напряжений.

Для удовлетворения всех требований, предъявляемых к промышленным устройствам, компания Infineon выпустила новое семейство тиристоров 8,5 кВ, которые характеризуются минимальными потерями во включенном состоянии и способностью коммутировать высокие напряжения при температуре кристалла вплоть до Tvj = 125°C. Такие показатели достигнуты за счет оптимизации полупроводниковой структуры, а также благодаря использованию проверенных технологических процессов, таких, например, как низкотемпературное спекание (Low Temperature Sintering, LTS) и пассивация электроактивного аморфного углерода (a-C:H). Отличительными чертами представителей нового семейства являются: высококачественный кремниевый диск диаметром 150 мм (6 дюймов) с превосходными характеристиками и корпус с контактными площадками диаметром 135 мм (рисунок 1). Новые приборы обеспечивают те же преимущества, что и 6-дюймовые тиристоры 9,5 кВ, которые сейчас используются на высоковольтных линиях постоянного тока [1, 2]. Выбор большого диаметра позволяет в короткие сроки перейти на меньшие типоразмеры, такие как 100 мм (4”) и 125 мм (5”).

Рис. 1. Новые 6-дюймовые 8,5 кВ тиристоры с 135-миллиметровыми выводами

Рис. 1. Новые 6-дюймовые 8,5 кВ тиристоры с 135-миллиметровыми выводами

Новый подход к построению тиристоров с использованием технологии LTS

Технология LTS основывается на использовании диффузной сварки при формировании сплошного металлизированного перехода по всей поверхности между кремниевым диском и молибденовым основанием (слой LTS на рисунке 2а). По сравнению с традиционной технологией Free Floating assembly (FF), в которой используется «сухой» контакт между кремнием и молибденом (рисунок 2б), тепловое сопротивление LTS-тиристоров оказывается значительно ниже (таблица 1). Кроме того, у FF-тиристоров нет контакта между молибденовыми дисковыми выводами и выступающими частями кремниевой пластины, выполненной с двумя симметричными отрицательными скосами. Это может приводить к ограничению максимального значения рабочей температуры при периодическом воздействии сверхвысоких напряжений VRRM и VDRM.

Рис. 2. . Поперечное сечение: а) LTS-структуры с положительно-отрицатель- ным скосом перехода; б) FF-структуры с двойным отрицательным скосом перехода

Рис. 2. . Поперечное сечение: а) LTS-структуры с положительно-отрицательным скосом перехода; б) FF-структуры с двойным отрицательным скосом перехода

Таблица 1. Сравнение основных характеристик технологий LTS и FF на примере 4-дюймовых тиристоров [3, 4]

Параметр Технология LTS Технология FF
Рабочее напряжение, кВ 9,2 8
Пиковый ток, кА 65 при 125°С 47,5 при 115°С
Тепловое сопротивление, °С/кВт 5 5,7
Минимальное усилие, кН 63 81

LTS-структура позволяет эффективно отводить тепло, образующееся при протекании значительных обратных токов от границ кристалла. Лучшие показатели теплоотвода в свою очередь позволяют добиваться роста максимальной рабочей температуры до 125°C. Это никак не сказывается на таких критичных для тиристоров характеристиках, как уровень допустимых импульсных токов, долговременная стабильность рабочего напряжения или стойкость к периодическим импульсам напряжения.

Проведенные испытания показали, что величины повторяющихся блокируемых напряжений VRRM и VDRM могут быть увеличены на 15…20% без роста толщины кремниевого кристалла. Исследование стойкости тиристоров к воздействию периодических импульсов напряжения проводилось согласно требованиям стандарта IEC 60747-6 [2]. Типовые значения напряжений и токов представлены на рисунке 3. К тиристору прикладывалась одна полуволна синусоидального сигнала амплитудой, равной рабочему напряжению VRWM и длительностью tP = 10 мс. На эту полуволну синусоиды накладывался импульс напряжения с повышенной амплитудой VRRM и длительностью tP = 300 мкс. При таких условиях импульсный обратный ток достигал значений до нескольких ампер при приложении к тиристору сверхвысоких напряжений VRRM и VDRM.

Рис. 3. Повторяющееся обратное напряжение и ток при различных темпера- турах при одновременном воздействии полуволны и импульса напряжения

Рис. 3. Повторяющееся обратное напряжение и ток при различных температурах при одновременном воздействии полуволны и импульса напряжения

Анализ данных, полученных при испытаниях устойчивости к импульсным нагрузкам, показывает два варианта развития тиристоров:

  • если оставить толщину кремниевого диска неизменной – такой же, как и у существующих тиристоров, – то можно увеличить значения рабочих напряжений VRRM и VDRM, что позволит снизить количество последовательно включаемых приборов и компонентов вспомогательных цепей без роста потерь мощности;
  • если сохранить значения рабочих напряжений VRRM и VDRM – можно снизить толщину кремниевой пластины при одновременном уменьшении падения напряжения во включенном состоянии VT.

Для рассматриваемых новых тиристоров выбран второй путь. При этом для получения меньшего падения напряжения во включенном состоянии VT и меньших динамических потерь толщина кремниевой пластины была снижена на 6% без какого-либо ухудшения запирающих свойств.

Оценка характеристик новых тиристоров

На рисунке 3 показаны результаты исследования запирающих свойств новых 6-дюймовых тиристоров при воздействии периодических обратных напряжений VRRM = 8,5 кВ частотой f = 50 Гц. Измерения напряжений и токов утечки проводились для четырех значений температур: 25°C, 90°C, 115°C и 125°C. В соответствии с рекомендациями производителей для обычных тиристоров прикладываемое рабочее напряжение VRWM, как правило, составляет 60…80% от величины пикового значения VRRM [2, 5]. При использовании новых LTS-тиристоров рабочее напряжение VRWM может быть увеличено до 90% от величины пикового значения VRRM.

На рисунке 4 показана температурная зависимость тока утечки. Во время проведения испытаний были продемонстрированы запирающие свойства новых тиристоров 8,5 кВ при частоте 50 Гц и температурах кристалла до 125°C.

Рис. 4. Типовая температурная зависимость тока утечки при воздействии периодического полуволнового сигнала (VRWM, VDWM V = 8,5 кВ, tP = 10 мс)

Рис. 4. Типовая температурная зависимость тока утечки при воздействии периодического полуволнового сигнала (VRWM, VDWM V = 8,5 кВ, tP = 10 мс)

На рисунке 5 приведены значения максимально допустимого блокируемого напряжения. Новые тиристоры продемонстрировали сохранение запирающих свойств при воздействии сигналов 9,5 кВ при температурах до 125°C. Эти испытания показывают значительный запас по напряжению, что позволяет новым тиристорам сохранять работоспособность в течение нескольких десятилетий. При этом ключевыми технологиями для достижения таких результатов стали низкотемпературное спекание LTS и пассивация электроактивного аморфного углерода (a-C:H).

Рис. 5. Зависимость тока утечки от прикладываемого напряжения при воз- действии одиночных импульсов (tP = 300 мкс) при различной температуре и синусоидальном рабочем напряжении VRWM = 7,5 кВ

Рис. 5. Зависимость тока утечки от прикладываемого напряжения при воздействии одиночных импульсов (tP = 300 мкс) при различной температуре и синусоидальном рабочем напряжении VRWM = 7,5 кВ

Новые приборы показали не только отличные запирающие свойства – их уровень потерь также был значительно снижен. На рисунке 6 демонстрируется уменьшение потерь для 150-миллиметровых тиристоров на 30% по сравнению с конкурентами. Это вызвано сокращением величины заряда обратного восстановления Qr при сохранении того же значения прямого падения напряжения VT.

Рис. 6. Усредненная зависимость Qr от VT, полученная при испытании выбо- рок типовых тиристоров и представителей нового семейства 8,5 кВ (рабочая температура 125°C, ток испытания IT = 5 кА, di/dt = -1,5 А/мкс, VR = -100 В)

Рис. 6. Усредненная зависимость Qr от VT, полученная при испытании выборок типовых тиристоров и представителей нового семейства 8,5 кВ (рабочая температура 125°C, ток испытания IT = 5 кА, di/dt = -1,5 А/мкс, VR = -100 В)

На рисунке 7 представлены расчетные значения заряда обратного восстановления Qr для нового семейства тиристоров с диаметром кремниевого диска 100 мм. Показатели этих достаточно миниатюрных ключей соответствуют характеристикам 150-миллиметровых тиристоров для заданных условий: IT = 1,5 кА, di/dt = -1,5 А/мкс, VR = -100 В.

Рис. 7. Расчетная зависимость Qr от VT для представителей нового семейс- тва 8,5 кВ – 100-миллиметровых тиристоров (при параметрах: IT = 1,5 кА, di/dt = -1,5 А/мкс, VR = -100 В)

Рис. 7. Расчетная зависимость Qr от VT для представителей нового семейства 8,5 кВ – 100-миллиметровых тиристоров (при параметрах: IT = 1,5 кА, di/dt = -1,5 А/мкс, VR = -100 В)

Заключение

Новое семейство 8,5 кВ тиристоров разработано для промышленных приложений. Благодаря новым технологиям удалось достичь рабочего напряжения 8,5 кВ для сигналов частотой 50/60 Гц при температурах вплоть до 125°C. Можно отметить и такие их важные для промышленных приложений свойства как высокая стойкость к импульсам тока и малое усилие при монтаже. Это позволяет с их помощью создавать высокоэффективные, мощные и надежные устройства, отвечающие современным и будущим требованиям.

Литература

  1. J. Przybilla, J. Dorn, R. Barthelmess, R. Joerke, U. Kellner Werdehausen, “Reaching New Limits with High Power Bipolar Devices”, Proceedings PCIM 2010, Nuremberg, p. 761…766.
  2. M. Schenk, J. Przybilla, U. Kellner-Werdehausen, R. Barthelmess, J. Dorn, G. Sachs, M. Uder, S. Völkel, „State of the Art of Bipolar Semiconductors for Very High Power Applications“, Proceedings PCIM Europe 2015, Nuremberg, p. 930…936.
  3. Datasheet “Infneon-T1901N-DS-v09_00-en_de”, www.Infneon.com
  4. Datasheet “5STP 20N8500_5SYA1072-04 Dec 13”, http://new.abb.com/semiconductors
  5. J. Vobecký, K. Stiegler, R. Siegrist, F. Weber, „Low Loss HighPower Thyristors for Industrial Applications”, Bodo´s Power Systems, Nov. 2015, p. 18…21.
О компании Infineon

Компания Infineon является мировым лидером по производству силовых полупроводниковых компонентов, а также занимает ведущие позиции по производству автомобильной полупроводниковой электроники и смарт-карт.  В 2015 году компания Infineon приобрела компанию International Rectifier, тем самым значительно усилив свои лидирующие позиции в области силовой электроники. Это сочетание открывает новые возможности для клиентов, так как обе компании превосходно дополняют друг друга благодаря высокому уровню ...читать далее