IGBT модули компании IXYS - образец компактности и надежности в силовой электронике

Загрузить статью в PDF (0,6 Мб) >>

Развитие рынка силовой электроники определяет большой интерес производителей к разработкам на основе IGBT транзисторов. Общеизвестно, что использование в схемах быстродействующих транзисторов позволяет преобразовывать электроэнергию на высоких частотах, благодаря чему можно снизить общие потери в преобразователях и применить современные системы управления. Наиболее популярными и используемыми силовыми ключами стали IGBT модули, которые не только позволили снизить массу и габариты, но и дали возможность повысить надежность устройств.

Введение

IGBT модули фирмы IXYS в основном оптимизированы для построения различных силовых преобразователей. Одними из основных критериев выбора являются напряжение насыщения V_CE(SAT), тепловой режим, скорость включения и выключения.

На сегодняшний день IGBT модули находят все большее применение в таких областях, как мощные лазеры, медицина, телекоммуникации, индукционный нагрев, мощные сварочные источники питания, транспорт, преобразователи напряжения и т. п. В этих устройствах требуются высокие частоты для получения лучших характеристик изделия и уменьшения размеров магнитных компонентов (трансформаторы и т. п.). На
высоких частотах потери на переключение становятся все более ощутимыми, и обычно это ограничивает применение стандартных модулей (выполненных по классической технологии).

Выделим основные особенности модулей IGBT фирмы IXYS:

• МОП-управление;
• очень низкий остаточный ток с низкой температурной зависимостью;
• высокая стойкость к токам короткого замыкания;
• прямоугольная область безопасной работы;
• встроенный инверсный быстровосстанавливающийся диод с "мягкими" характеристиками обратного восстановления;
• низкая внутренняя индуктивность модулей;
• 100% заводской контроль в статическом и динамическом режимах.

Конструктивные особенности

Конструкция и параметры IGBT модулей компании IXYS постоянно совершенствуются, повышается их устойчивость и "живучесть" при жестких условиях эксплуатации и в аварийных режимах.

Чаще всего IGBT модули, которые используются в силовых инверторах, состоят из транзисторов, соединенных в полумостовую схему, импульсного источника питания, где используется IGBT-транзистор, собранный по схеме чоппера, выпрямителя (двух или трехфазного) и терморезистора в качестве защиты:

Вид частей внутреннего соединения в IGBT-модулях фирмы IXYS

Семейства IGBT модулей от IXYS

Представителями IGBT модулей компании IXYS являются модули массового потребления серии MWI, новых серий MIEB и MIXA…W…. Эти модули состоят из шести транзисторов Six-Pack, соединенных в полный трехплечевой мост (например, MWI 25-12A7T) или трех отдельных полумоств (например, MIXA 450W1200TFH)

Конструкция IGBT модулей MWI, MIEB и MIXA…W… семейства

Модули данной серии выпускаются на напряжение до 1700 В и могут переключать нагрузку до 640 А (при 25°С), а также оперировать с частотами свыше 500 кГц. Они выпускаются в корпусах: E1-Pack, E2-Pack, E3-Pack, E9-Pack и имеют встроенный датчик температуры (название модуля заканчивается на букву "Т", например, MWI50-12T8T). Данные модули находят свое применение в преобразователях, сварочных аппаратах, резонансных инверторах, приводах для управления электродвигателями.

Также очень хорошо себя зарекомендовали модули серий MII, MID/MDI, MKI, MIXA…R…. Эти модули состоят или из полного двухплечевого моста Full Bridge (например, MKI 50-06A7), или полумоста NPT (например MII 300-12A4), или транзистора и силового диода (например, MID 300-12A4/MDI 300-12A4)

Конструкция IGBT модулей: MII (а); MID (б); MDI (в); MIXA…R… (г) ; MKI (д)

Предельное рабочее напряжение этих модулей составляет 1200 В, ток — 670 А. Они находят свое применение в однофазных инверторах, печах индукционного нагрева, управлении двигателями.

Из более интересных устройств можно отметить модули конфигурации CBI (converter-brake-inverter) серий MIAA, MITA, MUBW, MIXA…WB, MIAA… WE, MIAA…WD. Эти модули позволяют построить устройства, силовая часть которых состоит из одного модуля. В каждом модуле содержится полный диодный мост, трехплечевой транзисторный мост, датчик температуры и дополнительный транзистор для построения преобразователей, работающих на различные типы нагрузки:

Конструкция IGBT модулей CBI конфигурации

Ярким представителем нового семейства является модуль MIXA80WB1200TEH с новыми кристаллами, который обеспечивает высокую интеграцию силовых компонентов в конфигурации CBI в корпусе E2-pack. Также интересен модуль MIXA80W1200TED, который содержит 3-фазный инвертор в корпусе E3-pack. Оба модуля содержат выпрямительный мост и выполнены на изолированном основании. Стандартная топология корпуса позволяет легко заменять модули других производителей.

Особенности монтажа и эксплуатации IGBT модулей фирмы IXYS:

• рабочие пиковые напряжения в схемах должны быть не более 80%, а рабочее постоянное напряжение - 50-60% от классификационного значения напряжения коллектор-эмиттер;
• повторяющееся пиковое значение тока должно быть не более 80% от классификационного постоянного тока коллектора. Перегрузка по току, вызванная коротким замыканием в нагрузке, не должна превышать значения, установленного для длительности импульса тока 1 мс;
• температура p-n-перехода не должна быть более 70-80% от максимально допустимой температуры T_jmax. Температура корпуса — не выше 100°С;
• напряжение на затворе должно быть +15 В при включении и -8 В при выключении транзистора. Время нарастания и спада напряжения управления должно быть как можно меньше, максимальное напряжение на затворе — не превышать ±20 В;
• для защиты модулей от перенапряжений в цепи коллектор-эмиттер рекомендуется применение ограничивающих цепей;
• при монтаже и эксплуатации необходимо принять меры по защите IGBT модулей от воздействия статического электричества и перенапряжений в цепи затвора (при монтаже обязательно применение персоналом заземляющих браслетов и заземленных низковольтных паяльников с питанием через трансформатор);
• IGBT модули крепятся к охладителю винтами высокой твердости, при этом должен соблюдаться заданный момент вращения. Должны быть обязательно установлены плоские и стопорные шайбы, а для уменьшения теплового сопротивления необходимо нанести на основание тонкий слой теплопроводящей пасты. Через три часа после закрепления винты необходимо довернуть, соблюдая заданный момент вращения, так как часть теплопроводящей пасты вытекает под давлением;
• при монтаже управляющих выводов пайкой необходимо использование низкотемпературных припоев с температурой плавления не выше 200°С. Время пайки — не более 5 секунд. Перед проведением повторной пайки необходимо охладить управляющий вывод до комнатной температуры;
• для предотвращения механического разрушения модулей не рекомендуется силовые и управляющие выводы изгибать и прикладывать к ним значительные механические нагрузки.

Основные типы корпусов IGBT модулей от компании IXYS

Номенклатура корпусов IGBT модулей производства компании IXYS имеет широкий выбор:

Диапазон рабочих температуры составляет -40 … +150°С и вес от 37 до 835 г. Внешний вид корпусов приведен на рисунке ниже.

Корпуса IGBT модулей производства компании IXYS

Заключение

Компания IXYS постоянно расширяет спектр своей продукции для удовлетворения имеющихся потребностей рынка в высоконадежных силовых ключах с малыми потерями и возможностью параллельного включения. Электрические и тепловые характеристики модулей компании IXYS дают возможность эффективного применения IGBT модулей наравне с другими существующими технологиями.

Более детальную информацию можно получить в офисе ООО "Виаком": 03061, г. Киев, пр. Отрадный, 95-с, тел./факс: (044) 507-02-02 (многоканальный), добавочный номер 108 - технический консультант Андрей Влащук, andrew.vlashchuk@biakom.kiev.ua