№4 / 2019 / статья 8

Гибкая – не значит гнущаяся: новая платформа XHP для мощных IGBT-модулей Infineon

Александр Русу (г. Одесса)

Сегодня платформа XHP™ производства Infineon включает в себя всего три мощных IGBT-модуля, однако с помощью этого жесткого комплексного решения за счет сбалансированности всех его частей она имеет все шансы стать стандартом для создания силовых инверторов.

Сегодня разработчиков силовой электроники сложно чем-то удивить. После того как установочная мощность (произведение максимально допустимых напряжения и тока) силовых полупроводниковых приборов превысила отметку 1 МВт, мощные преобразователи электрической энергии перестали быть абстракциями ученых-теоретиков, превратившись в объективную реальность. Однако мощный преобразователь и высококачественный мощный преобразователь – это, как говорят у нас в Одессе, две большие разницы. В данном контексте под словом «высококачественный» следует понимать преобразователь, одновременно обладающий высокой удельной мощностью, малыми потерями и длительным сроком службы. А ведь именно такие устройства нужны для современной промышленности и систем альтернативной энергетики, не говоря уже о транспорте, авиации или космической технике, где на счету каждый килограмм и кубический сантиметр.

Проблема заключается в том, что при росте значений рабочего напряжения и тока на параметры системы начинает влиять множество, казалось бы, второстепенных факторов, которые, если не уделять им должного внимания, могут стать непреодолимыми препятствиями для создания приложений с высокими техническими характеристиками. Так, например, неудачный способ крепления транзистора к платформе силового модуля в лучшем случае увеличит тепловое сопротивление контакта, что ограничит удельную мощность и КПД, а в худшем – приведет к его отрыву от основания под действием циклических тепловых нагрузок. На технических характеристиках может отразиться даже неудачное расположение контактов на корпусах силовых модулей, из-за чего увеличится паразитная индуктивность токопроводящих шин, появятся дополнительные перенапряжения, что, опять же, приведет к уменьшению удельной мощности.

Таким образом, создание современных преобразователей электрической энергии все еще остается сложной технической задачей, требующей от разработчиков четкого понимания особенностей работы и детальной проработки всех элементов системы. Именно такой подход и был использован специалистами компании Infineon при создании новой платформы IGBT-модулей – XHP. Аббревиатура «XHP» образована от слогана «fleXible Highpower Platform», подразумевающего, что с помощью новых IGBT-модулей можно не только создавать мощные преобразователи, но и гибко решать с их помощью множество самых разнообразных технических задач.

История создания платформы XHP™

Свой первый IGBT-модуль на платформе High Power Module (IHM) компания Infineon выпустила в 1993 году (рисунок 1). С тех пор в каждом новом корпусе воплощаются последние достижения компании в этой сфере. Большинство платформ, в том числе Prime PACK, Easy, Smart, Econo и EconoPACK+ оказались настолько удачными, что стали стандартом в данной области и выпускаются по лицензии многими производителями силовых электронных компонентов с мировым именем. Из ассортимента Infineon следует особо отметить платформы IHV и IHM, имеющие на сегодняшний день наибольшие уровни максимальных напряжения (6,5 кВ) и тока (3,6 кА).

Таким образом, даже без платформы XHP™ компания Infineon по праву является одним из мировых лидеров в области компонентов для силовой преобразовательной техники, и на первый взгляд может показаться, что все основные технические проблемы в данной сфере давно решены, и существующих IGBT-модулей вполне достаточно для реализации большинства практических задач.

Рис. 1. История развития IGBT-модулей компании Infineon

Рис. 1. История развития IGBT-модулей компании Infineon

Однако c каждым днем увеличиваются потребности в нестандартных системах, требующих более гибкого подхода к проектированию преобразователей. Успехи в разработке новых полупроводниковых приборов позволяют предположить, что в ближайшем времени появятся новые типы силовых транзисторов, которые выведут преобразовательную технику на новый уровень качества. Все это может привести к тому, что существующие платформы уже не смогут отвечать требованиям рынка и станут серьезным препятствием для создания высококачественных преобразовательных систем.

Но как улучшить характеристики и без того хороших компонентов? В 2015 году компания Infineon впервые представила новую платформу XHP™. В отличие от предыдущих разработок, направленных на улучшение качества непосредственно IGBT-модулей, в новой платформе был сделан акцент на оптимизацию всей силовой части преобразователя. При разработке новой платформы компания отошла от негласного принципа «делать так, как удобно производителю» и поставила во главу угла параметры качества системы в целом, что в итоге привело к улучшению всех ключевых характеристик преобразователей: удельной мощности, КПД, надежности и долговечности.

Такой подход, с одной стороны, ограничил свободу выбора при проектировании системы, поскольку «иначе не сделаешь», а с другой – свел к минимуму количество заведомо неоптимальных решений при компоновке системы. Таким образом, разработав платформу XHP™, компания Infineon получила ответ на вопрос, какая компоновка силовой части преобразователя является наиболее оптимальной. Поэтому не зря на рисунке 1 платформа XHP™ обозначена как «The Answer».

Ключевые преимущества платформы XHP™

Анализируя ассортимент IGBT-модулей производства компании Infineon (рисунок 2),можно увидеть, что на сегодняшний день платформа XHP™ занимает почетное второе место по величине установочной мощности, уступая пальму первенства по этому параметру лишь приборам на платформе IHV. То есть, на первый взгляд может показаться, что для проектирования мощных преобразователей лучше использовать более старые и проверенные решения. Однако это не совсем так.

Рис. 2. Ассортимент IGBT-модулей компании Infineon

Рис. 2. Ассортимент IGBT-модулей компании Infineon

Как было сказано выше, использование мощного IGBT-модуля не означает, что на его основе будет создано устройство с высокой удельной мощностью. Разработчикам преобразовательной техники давно известно, что часть установочной мощности силовых полупроводниковых приборов необходимо тратить на перегрузки, возникающие из-за паразитных индуктивностей проводников, соединяющих их с остальной схемой. Импульсы напряжения, возникающие при резкой коммутации токопроводящей цепи (рисунок 3), могут повредить полупроводниковый прибор, что вынуждает уменьшать скорость изменения тока, тем самым увеличивая динамические потери и ухудшая КПД системы в целом.

Рис. 3. Влияние паразитных индуктивностей на процесс коммутации

Рис. 3. Влияние паразитных индуктивностей на процесс коммутации

Исследования, проведенные специалистами компании Infineon, показали, что паразитные индуктивности внешних и внутренних соединений IGBT-модуля можно уменьшить с помощью комплекса технических решений, которые и были использованы при разработке платформы XHP™.

Во-первых, наилучшим решением для IGBT-модуля является соединение полупроводниковых приборов по полумостовой схеме, что обеспечивает минимальную длину внутренних соединительных проводников. То есть при разработке мощного преобразователя следует, по возможности, избегать использования одиночных силовых приборов, даже если их характеристики лучше параметров компонентов, установленных в модуле.

Во-вторых, вместо одного мощного силового прибора лучше использовать несколько параллельно соединенных транзисторов и диодов меньшей мощности. Параллельное соединение позволяет более равномерно распределить термическую нагрузку по поверхности платформы модуля, уменьшая его тепловое сопротивление, и за счет увеличения количества внутренних проводников уменьшить как активное сопротивление, так и величину паразитной индуктивности токопроводящих шин.

В идеальном случае минимальная паразитная индуктивность внутренних соединений обеспечивается при расположении всех полупроводниковых приборов в одну линию. Однако при таком подходе IGBT-модуль получится очень длинным и узким, что является неприемлемым для большинства практических приложений. Поэтому специалистам компании Infineon пришлось пойти на некоторое увеличение паразитной индуктивности, расположив полупроводниковые приборы в четыре ряда. Как видно из рисунка 4, модуль XHP™ имеет симметричную конструкцию: с одной стороны располагаются четыре параллельно соединенных транзистора и диода верхнего плеча, а с другой – нижнего.

Рис. 4. Расположение полупроводниковых приборов в модуле XHP™

Рис. 4. Расположение полупроводниковых приборов в модуле XHP™

Третьим способом уменьшения паразитной индуктивности внутренних проводников является использование ленточного способа соединений платформы с терминалами модуля. В этом случае соединение с терминалами, предназначенными для подключения шин постоянного тока (DC+ и DC–), осуществляется с помощью пластины или ленты из диэлектрика с высокой электрической прочностью, по обеим сторонам которой нанесено токопроводящее покрытие (рисунок 5). Это позволяет как уменьшить величину общей паразитной индуктивности данного соединения за счет взаимной компенсации магнитных полей, так и уменьшить уровень перенапряжений при коммутации силовых транзисторов за счет появления дополнительной распределенной емкости.

Рис. 5. Подключение терминалов DC+ (красного) и DC– (синего) в модулях XHP™

Рис. 5. Подключение терминалов DC+ (красного) и DC– (синего)
в модулях XHP™

Аналогичные приемы были использованы и для уменьшения паразитных индуктивностей внешних соединений. Но здесь необходимый эффект достигается не только за счет ленточной конструкции шины DC, которая благодаря появлению дополнительной распределенной емкости также имеет минимальную паразитную индуктивность, но и за счет продуманного расположения терминалов для внешних соединений.

На момент написания статьи для платформы XHP™ разработано два типа корпусов размерами 100х140х40 мм (рисунок 6). XHP2 предназначен для низковольтных приложений с максимальным напряжением до 3 300 В и имеет увеличенное количество терминалов для подключения токопроводящих шин (четыре терминала для подключения шины DC и три – для шины AC), что позволяет увеличить значения токов в системе без перегрева точек подключения модуля. А XHP3 с увеличенными длинами путей утечки (для увеличения пути утечки предназначены специальные ребра на корпусе модуля) уже позволяет использовать этот компонент для построения высоковольтных преобразователей с рабочими напряжениями 3300…6500 В.

Рис. 6. Внешний вид модулей XHP™

Рис. 6. Внешний вид модулей XHP™

Терминалы для подключения шин DC и AC разнесены по разным сторонам корпусов обоих типов, а расположение отверстий для крепления модулей к теплоотводу позволяет устанавливать модули на радиаторе вплотную друг к другу без зазора. Это позволяет с легкостью соединять параллельно необходимое количество модулей и гибко наращивать мощность устройства с наименьшими затратами объема (рисунок 7). Также необходимо обратить внимание на наличие специализированного места для установки печатной платы с драйверами, позволяющего расположить их максимально близко к затворам транзисторов, что также позитивно сказывается на динамических характеристиках системы.

Рис. 7. Пример параллельного соединения четырех модулей XHP3

Рис. 7. Пример параллельного соединения четырех модулей XHP3

Такая детальная проработка всех элементов конструкции платформы XHP™ позволила значительно уменьшить величину паразитных индуктивностей всех токопроводящих элементов. Сравнительный анализ различных решений показывает, что общая паразитная индуктивность внешних и внутренних силовых шин преобразователя, собранного на четырех модулях XHP3, составляет всего 15 нГн, в то время как аналогичный параметр решения, реализованного на двух IGBT-модулях в традиционных корпусах IHV-B, равен 90 нГн (рисунок 8). Таким образом, только за счет оптимизации конструкции удалось сократить величину паразитной индуктивности силовых проводников на 83%.

Рис. 8. Сравнение величин паразитной индуктивности преобразователей, реализованных на платформах IHV-B (а) и XHP3 (б)

Рис. 8. Сравнение величин паразитной индуктивности преобразователей, реализованных на платформах IHV-B (а) и XHP3 (б)

И это не могло не сказаться на уровне динамических потерь при преобразовании. Результаты испытаний показывают, что по сравнению с той же платформой IHV-B уровень перенапряжения при закрытии силовых транзисторов на тех же значениях коммутируемого тока уменьшается не менее чем на 30%, а уровень потерь при выключении IGBT – не менее чем на 5% (рисунок 9).

Рис. 9. Диаграммы напряжений и токов при закрытии IGBT платформ IHV-B и XHP™

Рис. 9. Диаграммы напряжений и токов при закрытии IGBT
платформ IHV-B и XHP™

Таким образом, уменьшение паразитной индуктивности силовых шин позволило не только более эффективно использовать установочную мощность полупроводниковых приборов, но и уменьшить уровень динамических потерь при коммутации. Однако КПД системы зависит не только от величин паразитных параметров силовой цепи, но и от ряда других факторов, главными из которых являются электрические характеристики полупроводниковых компонентов: транзисторов и диодов.

Не вдаваясь в подробности технологий компании Infineon по изготовлению полупроводниковых приборов, отметим, что на сегодняшний день для внутренней начинки IGBT-модулей платформы XHP™ используются IGBT и диоды третьего и четвертого поколений (IGBT3 и IGBT4, CE3 и CE4), обладающие отличными электрическими характеристиками и хорошо зарекомендовавшие себя на практике. Так, например, по сравнению с платформой IHV-B использование диодов с меньшим временем восстановления позволяет не только не менее чем на 21% уменьшить величину потерь при включении IGBT (рисунок 10), но и за счет более мягкой коммутации снизить уровень флуктуаций напряжений и токов (рисунок 11), облегчая электромагнитную совместимость конечных приложений.

Рис. 10. Диаграммы напряжений и токов при открытии IGBT платформ IHV-B и XHP™

Рис. 10. Диаграммы напряжений и токов при открытии IGBT
платформ IHV-B и XHP™

Несмотря на то, что использование высококачественных полупроводниковых приборов является обязательным условием реализации современных компактных преобразователей, для обеспечения требуемых уровней удельной мощности и надежности конечных устройств этого может оказаться недостаточно. Как показал опыт практического использования мощных IGBT-модулей, одной из причин отказов этих компонентов является разрушение внутренних соединений под действием циклических тепловых нагрузок. Поэтому для увеличения срока службы модуля необходимо или уменьшать рабочую температуру кристаллов, что, опять же, негативно сказывается на коэффициенте использования полупроводниковых приборов из-за уменьшения нагрузки, или увеличивать размеры теплоотвода.

Рис. 11. Диаграммы напряжений и токов при переключении диодов платформ IHV-B и XHP™

Рис. 11. Диаграммы напряжений и токов при переключении диодов
платформ IHV-B и XHP™

Для решения этой проблемы компания Infineon при производстве приборов XHP™ использовала специально разработанную технологию межблочных соединений .XT (рисунок 12), позволяющую заменить традиционно используемые для данной цели алюминиевые проводники на медные, а также использовать более надежные методы соединения элементов модуля: ультразвуковую сварку и высокотемпературное спекание. Это позволило в итоге либо увеличить срок службы модуля при сохранении того же уровня тепловых нагрузок, либо за счет повышения температуры кристаллов увеличить удельную мощность преобразователя при том же сроке службы.

Рис. 12. Ключевые особенности технологии .ХТ

Рис. 12. Ключевые особенности технологии .ХТ

В конечном итоге использование всех рассмотренных выше методов и технологий позволило увеличить удельную мощность преобразователей, реализованных на платформе XHP™, почти в 1,5 раза по сравнению с традиционными решениями (рисунок 13).

Рис. 13. Сравнение удельной мощности преобразователей, реализованных на платформах IHV-B (а) и XHP3 (б)

Рис. 13. Сравнение удельной мощности преобразователей, реализованных на платформах IHV-B (а) и XHP3 (б)

В целом специалисты компании Infineon выделяют следующие ключевые преимущества платформы XHP™:

  • повышенная удельная мощность за счет продуманного дизайна корпусов, возможности увеличения температуры кристаллов и минимального значения паразитной индуктивности силовых шин, что позволяет более эффективно использовать установочную мощность модуля;
  • возможность гибкого масштабирования, при которой конструкция модулей позволяет гибко наращивать мощность преобразователя без ухудшения его остальных характеристик;
  • длительный срок службы за счет использования технологии межблочных соединений .ХТ, позволяющей при стандартной температуре кристалла дольше сохранять физическую целостность модуля;
  • повышенная частота переключений. Малое значение паразитной индуктивности и применение современных полупроводниковых приборов приводит к уменьшению статических и динамических потерь, что позволяет увеличить частоту переключений и тем самым уменьшить массу и габариты остальных элементов преобразователя, например, индуктивных компонентов.

Таким образом, несмотря на то что модули платформы XHP™ по уровню установочной мощности пока уступают пальму первенства известным решениям, с их помощью уже можно создавать преобразователи с лучшими техническими характеристиками. А в целом специалисты компании Infineon позиционируют эту платформу как основу для будущих решений. Именно в корпуса XHP™ планируется устанавливать новые поколения полупроводниковых приборов с характеристиками, превосходящими все известные на сегодняшний день аналоги.

Технические характеристики модулей XHP™

На момент написания статьи в рекламных материалах и каталогах компании Infineon упоминается всего три модуля, изготовленных на основе платформы XHP™ (таблица 1), причем для заказа на официальном сайте Infineon пока доступно всего два – FF450R33T3E3 и FF450R33T3E3_B5, которые отличаются друг от друга лишь электрической прочностью изоляции. Усиленная изоляция корпуса модулей FF450R33T3E3_B5 (о чем свидетельствует суффикс «_B5») позволяет использовать их в трехуровневых инверторах (рисунок 14) без снижения уровня рабочих напряжений системы.

Таблица 1. Характеристики IGBT-модулей платформы XHP™

Наименование FF450R33T3E3 FF450R33T3E3_B5 FF225R65T3E3
Максимальное напряжение, кВ 3,3 3,3 6,5
Номинальный ток, А 450 450 225
Электрическая прочность изоляции, кВ 6 10 10
Корпус XHP3 XHP3 XHP3
Приложения Инверторы для промышленных двигателей средней мощности, железнодорожного транспорта и метрополитена Инверторы для двигателей железнодорожного транспорта и метрополитена Инверторы для промышленных двигателей средней мощности и высокоскоростных поездов
Рис. 14. Применение модулей FF450R33T3E3_B5 в трехуровневых инверторах

Рис. 14. Применение модулей FF450R33T3E3_B5 в трехуровневых инверторах

Как видно из таблицы 1, на сегодняшний день ассортимент IGBT-модулей в корпусе XHP™ пока невелик. Однако это не повод пренебрегать данным решением. В соответствии с планами развития платформы (таблица 2), в ближайшем будущем должны появиться приборы, установочная мощность которых будет превышать 1 МВт, что позволит создавать на их основе еще более мощные системы, и расширить спектр их практического применения.

Таблица 2. Планы Infineon по развитию платформы XHP™

Класс напряжения, кВ 3,3 4,5 6,5
Уровень выходного тока, А 2×450 2×400 2×275

Заключение

Новая платформа XHP™для IGBT-модулей является результатом кропотливых поисков наиболее оптимальных решений для каждого элемента системы. Анализируя работу, проделанную компанией Infineon, можно с уверенностью сказать, что преобразователи электрической энергии нельзя разбивать на отдельные компоненты. Это единый и сложный механизм, каждый элемент которого должен, во-первых, иметь четко определенные параметры, а во-вторых – оптимально сопрягаться с другими элементами системы.

С одной стороны платформа XHP™ является жестким решением, поскольку любое отклонение от базового варианта, скорее всего, приведет к значительному ухудшению характеристик преобразователя. А с другой – именно за счет своей жесткости она позволяет легко наращивать выходную мощность системы без ухудшения ее характеристик, тем самым позволяя разработчику не только гибко решать поставленные перед ним задачи, но также обеспечивать непревзойденные качество и надежность конечных приложений.

В любом случае платформа XHP™ имеет все основания, чтобы в уже ближайшем будущем стать стандартом для построения мощных силовых инверторов, а впоследствии, после появления новых типов силовых полупроводниковых приборов – и единственным вариантом построения преобразователей, мощность которых будет измеряться единицами, а может, и десятками гигаватт.

Наши информационные каналы

Рубрики:
Применения: ,
Группы товаров: , ,

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