Для таких специфічних застосувань, як сонячні енергетичні установки, потрібна максимальна віддача енергії. Силові ключі конвертора повинні володіти дуже низьким тепловим опором, що забезпечує мінімальний нагрів чіпів, високу щільність струму і максимальну ефективність використання сонячного кремнію. Цій вимозі задовольняють мініатюрні модулі IGBT притискної конструкції MiniSKiiP [1] (див. Рис. 1), широко використовувані для виробництва перетворювачів потужністю до 30 кВт. ККД інвертора для сонячної станції на базі MiniSKiiP, випробування якої були проведені німецькою компанією Stiftung Warentest, досяг рекордного для даного класу виробів показника 95,6%.
Мал. 1. Розміри корпусів MiniSKiiP
Очевидно, що область застосування компонентів серії MiniSKiiP не обмежується сонячною енергетикою - це лише один з наочних прикладів, що підтверджують надзвичайно високу затребуваність компонентів даного типу. Малогабаритні силові модулі MiniSKiiP широко використовуються в самих різних галузях промисловості: загальнопромислових приводах, вторинних джерелах живлення, зварювальної апаратури і т.д. Основними споживачами цих компонентів є такі всесвітньо відомі компанії, як Danaher (робототехніка), Miller Electric (зварювальне обладнання), Schneider Toshiba Group (приводу), SEW Eurodrive (приводу), Siemens A & D (приводу), Vacon (приводу), Silectron (UPS ).
Унікальною особливістю конструкції силових ключів серії MiniSKiiP є використання пружинних висновків для підключення всіх ланцюгів: сигнальних, силових і сенсорних. Діапазон комутованих ними струмів досить широкий: від одиниць мікроампер в сигнальних з'єднаннях до десятків ампер в силових ланцюгах. В останньому випадку для зменшення нагрівання терміналів використовується їх паралельне з'єднання.
Притискної спосіб підключення ланцюгів управління реалізований також в ключах SEMIKRON нових поколінь сімейства SEMiX і інтелектуальних силових модулях SKiiP. Крім зручності монтажу пружинні контакти забезпечують високу стійкість до механічних впливів і відсутність втомних процесів, властивих паяним з'єднанням (див. Рис. 3а).
На сьогоднішній день більше 300 млн. Пружин різного типу, які успішно працюють в силових модулях SEMIKRON по всьому світу, підтвердили надійність і доцільність такого способу з'єднання. Необхідно відзначити, що всі матеріали, які використовуються для їх виготовлення, задовольняють вимогам сучасних екологічних директив.
Високий ККД і хороші екологічні показники є необхідними, але не єдиними вимогами, що пред'являються до перетворювальної пристрою. В умовах сучасного виробництва вкрай важливою властивістю електронного елемента є придатність його конструкції до автоматизованої збірці. При використанні модулів MiniSKiiP їх з'єднання з платою управління та теплоотводом проводиться в один етап, а збірка йде тільки в одному напрямку.
Найпростіша двостороння плата управління має мінімальну кількість перехідних отворів (див. Рис. 2), крім того, при притискному монтажі не потрібно точного позиціонування контактів в місцях їх з'єднання з друкованою платою, що також спрощує і здешевлює складання. Наявність великої кількості резервних посадочних місць для установки пружинних висновків в корпусі модуля забезпечує високу гнучкість конструкції і можливість оптимального розміщення терміналів для кожного типу і конфігурації силового ключа.
Для підтвердження стабільності контактних властивостей притискних з'єднань і їх високої стійкості до впливу зовнішніх факторів пружинні контакти піддаються ряду спеціальних перевірок. Вони включають трібометріческіе тести (перевірка контактного опору на вібростійкість), випробування на вплив агресивних середовищ, а також термоціклірованіе. При проведенні даних тестів використовується схема, показана на малюнку 3б. В процесі випробувань проводиться вимірювання падіння напруги на послідовному з'єднанні декількох контактів при протіканні стабілізованого струму. За весь час проведення подібних перевірок не було виявлено перевищення номінального значення опору контактів DR понад 100 мОм при допуску 400 мОм.
Виняток технологічних етапів, пов'язаних з паянням, дозволяє скоротити час виробництва і знизити його вартість. Основні порівняльні характеристики різних типів з'єднань наведені в таблиці 1.
Таблиця 1. Порівняльні характеристики паяного і притискного з'єднання
економічна
ефективність Паяні
з'єднання Пружинні
контакти Примітка Використання площі друкованої плати 0 + Відсутність наскрізних отворів Час / вартість монтажу 0 + Монтаж без використання пайки і паяльного обладнання Підключення силового модуля 0 + Низькі монтажні допуску
Довготривала надійність з'єднання:
Термоціклірованіе0 + Виключена «холодна пайка» Удари + вібрація 0 + Немає втомних процесів в паяних шарі
Притискна конструкція збірки дозволяє різко знизити рівень термомеханических напружень, що виникають при роботі інвертора, що сприяє збільшенню терміну служби виробу.
Кріплення MiniSKiiP до радіатора проводиться за допомогою одного або двох гвинтів, що стягають кришку, корпус модуля і тепловідвід, як показано на малюнку 2.
Мал. 2. Притискна збірка модуля MiniSKiiP 3
Мал. 3. Вплив вібрації на паяне і притискне з'єднання (а), перевірка контактного опору MiniSKiiP (б)
При цьому гвинти розташовуються усередині втулок, які здійснюють тиск на керамічну плату і забезпечують таким чином рівномірну передачу тепла. Існує 2 типу притискних кришок, вибір залежить від конкретного застосування силового ключа: установка плоских елементів притиску дозволяє зменшити висоту збірки, кришки з пустотами дають можливість розмістити безпосередньо над силовим каскадом smd-компоненти схеми управління (див. Рис. 4).
Мал. 4. Притискні кришки MiniSKiiP, розташування елементів драйвера
Притискної спосіб підключення MiniSKiiP дає можливість більш раціонально використовувати площу друкованої плати, оскільки перехідні отвори займають набагато менше місця, ніж отвори, необхідні для монтажу виводів. Можливість розміщення елементів драйвера в безпосередній близькості від силових чіпів сприяє спрощенню топології з'єднань і зменшення паразитних індуктивностей ланцюгів управління.
Завдяки успіху притискних технологій багато компаній, що працюють на ринку силової електроніки, намагаються впровадити даний тип з'єднань в вироблені ними модулі різного класу потужності. Прикладом може злучити конструктив з пресової посадкою «press-fit», який використовується, в основному, при виробництві діодів. Підключення напівпровідникового компонента до контактного отвору в друкованій платі при цьому здійснюється за допомогою притиску. Слід зазначити, що в даному випадку необхідні пайка або ультразвукове зварювання для з'єднання висновків чіпів з керамічної DCB-платою. Пружинні термінали модулів MiniSKiiP дозволяють здійснювати підключення силових і сигнальних ланцюгів модуля тільки за рахунок притиску.
Для подальшого спрощення процесу складання SEMIKRON пропонує в якості опції нову послугу: постачання модулів MiniSKiiP з попередньо нанесеним шаром теплопроводящей пасти (див. Рис. 5).
Мал. 5. Підстава модуля MiniSKiiP з нанесенням теплопроводящей пастою
Це дозволяє спростити процес монтажу за рахунок виключення важливого і відповідального технологічного етапу, поліпшити теплові характеристики конструкції і забезпечити високу повторюваність виробничого процесу.
Нова опція забезпечує наступні переваги:
- швидка і проста операція установки модулів на тепловідвід, можливість автоматизації виробництва;
- оптимальна товщина шару пасти, зниження ризику пошкодження керамічного підстави MiniSKiiP;
- рівномірний розподіл пасти в зазорі, мінімальне теплове опір;
- хороша тимчасова стабільність теплових характеристик.
Теплопроводящая паста наноситься на поверхню модулів за допомогою спеціального металевого трафарету з комірчастою структурою, що забезпечує високу однорідність товщини шару. Рівномірний розподіл пасти при затягуванні кріпильних гвинтів досягається завдяки стільникового структурі покриття, показаної на малюнку. Компоненти піддаються ряду спеціальних тестів, що дозволяють оцінити стабільність покриття при транспортуванні і зберіганні.
Мал. 6. Вплив термоциклирования на паяні і притискні з'єднання
У модулях сімейства MiniSKiiP з робочою напругою 600 В використовуються кристали IGBT Trench третього покоління (Infineon) і діоди серії CAL, розроблені SEMIKRON. У ключах, розрахованих на 1200 В, встановлюються новітні чіпи Trench IGBT4 в комбінації з діодами CAL 4. Головною відмінністю елементів четвертого покоління є розширений температурний діапазон (максимальна робоча температура чіпів становить 175 ° C) і знижений рівень втрат. Технологія Т4 дозволила розсунути рамки безпечних режимів експлуатації - для кристалів цієї генерації граничний імпульсний струм дорівнює потроєному номінального значення (всі випускаються в даний час IGBT мають піковий струм Icrm = 2 х Inom). Використання силових модулів серії Т4 дозволяє знизити рівень втрат приблизно на 20%, підвищити ефективність перетворення, запас по перевантаженню і надійність інвертора без переробки конструкції і переходу на більш потужні ключі.
Модулі MiniSKiiP випускаються в основних приводних конфігураціях: CIB (випрямляч, інвертор і гальмівної каскад), 3-фазний інвертор і випрямляч (некерований і напівкерованих) з гальмівним каскадом. Основні характеристики і склад елементів серії наведені в таблиці 2.
Таблиця 2. Основні технічні характеристики модулів MiniSKiiP
Для інверторів, призначених для застосування в сонячних енергетичних станціях, випускаються модулі IGBT з мерії (однофазної) схемою і робочою напругою 600 В і 1200 В.
Пружинні контакти MiniSKiiP розраховані на струмовий навантаження до 20 А, при цьому їх перегрів не перевищує 20 ° С. У сільноточних ланцюгах використовується паралельне з'єднання висновків, їх кількість може досягати восьми для одного силового терміналу. Конструктивно термінали модулів SEMIKRON принципово відрізняються від контактів традиційної конструкції, які здійснюють «стискає» контактне зусилля. Різниця це полягає, перш за все, в напрямку розподілі притискає і контактного зусилля. Притискні термінали створюють зусилля, спрямоване вздовж осі контакту, вони призначені спеціально для з'єднання силового модуля з друкованою платою і не розраховані на багаторазове зчленування. Пружинні контакти MiniSKiiP виконані зі сплаву К88 (виробництва Wieland Werke і Olin Brass) з срібним покриттям товщиною 3 ... 5 мкм. Для захисту контактів від зовнішніх впливів використовується пасивуючий шар товщиною 0,1 мкм, що представляє собою сплав міді (50 ... 55%), олова (30 ... 35%) і цинку (13 ... 17%).
Матеріал пружин має дуже високу межу текучості (550 МПа), він має гарну здатністю до формування і стійкістю до вигинів і при цьому зберігає всі свої механічні і контактні властивості в широкому діапазоні температур аж до 200 ° С. SEMIKRON гарантує відсутність втомних ефектів в матеріалі контакту протягом всього терміну служби.
Металева пассивация забезпечує високу довготривалу стабільність контактних властивостей і оберігає поверхню контакту від окислення, наростання ниткоподібних кристалів і електроміграціі. Нагадаємо, що електроміграціі (дифузний перенесення маси провідника під дією електричного струму високої щільності) є однією з основних причин руйнування металевих струмопровідних плівок. Для дослідження впливу процесу електроміграціі на контактні властивості SEMIKRON проводить випробування контактів MiniSKiiP на вплив корозійно-активної атмосфери з високим вмістом сірководню H2S. В ході тестів, проведених протягом 240 ч в умовах 75% вологості при вмісті сірководню 100 ppm, не було виявлено жодного відхилення характеристик висновків від допустимих меж.
Для перевірки стійкості пружинних висновків до термоциклювання були розроблені спеціальні тестові модулі, в яких пружинні контакти дублюються традиційними паяними: тільки так можна забезпечити повну ідентичність умов випробувань. Результати показані на циклограмме, наведеної на малюнку 6: після 1000 циклів з градієнтом 160 ° С сталося руйнування паяного контакту. Притискні з'єднання зберігали свої властивості протягом більше 2000 циклів, після чого тести були припинені.
Конструктив MiniSKiiP має велику кількість резервних місць для установки кристалів і пружин, що дозволяє вибирати місце їх розміщення, що забезпечує мінімальну індуктивність силових з'єднань модуля і ланцюгів управління, а також простоту трасування плати управління. Зазначена особливість сприяє зниженню втрат і поліпшенню електромагнітної сумісності. З недавнього часу в деяких версіях MiniSKiiP в якості опції замість CAL діодів встановлюються антипаралельні діоди з карбіду кремнію (SiC). Всі перераховані особливості модулів MiniSKiiP дозволяють створювати на їх основі малогабаритні інвертори, що відрізняються високою ефективністю перетворення і надійністю.
висновок
За даними досліджень ринку силових напівпровідникових компонентів «The worldwide market for Power Semiconductors, 2002», що проводяться британським дослідницьким інститутом IMS (British Market Research Institute), в області виробництва мініатюрних модулів конфігурації CIB (Converter, Inverter, Brake - випрямний міст, інвертор, гальмівний каскад) частка ринку SEMIKRON становить 30% в світі і понад 46% - в Європі.
Основним застосуванням MiniSKiiP є схеми приводів потужністю до 30 кВт, саме тому вони випускаються в основних приводних конфігураціях: CIB і АС (3-фазний інвертор). Високої популярності даних компонентів сприяє застосування пружинних сигнальних висновків, що дозволяють виключити паяні з'єднання, спростити монтаж модулів і їх заміну в разі потреби. Спеціальні випробування даного типу з'єднання показують його високу стійкість до мікровібрацію і фреттинг, а також хорошу довготривалу стабільність контактних властивостей в умовах досить потужних застосувань.
При експлуатації модулів в умовах підвищеної температури навколишнього середовища особливий інтерес представляють питання забезпечення надійності і довготривалої стабільності параметрів. Високі показники надійності при використанні модулів MiniSKiiP досягаються, насамперед, за рахунок використання пружинних контактів і відсутності базової плати.
література
1. А. Колпаков. MiniSKiiP - мініатюрні модулі для приводу, «Електронні Компоненти» №7, 2004р, «Силова Електроніка» №4, 2005 р
2. Daniel Seng. «Spring contacts - reliable alternative to critical solder contacts». Bodors Power Systems, August 2007
3. А. Колпаков. Надійність пружинних контактів в умовах індустріальних середовищ, «Силова Електроніка» №4, 2006 р
Отримання технічної інформації, замовлення зразків, поставка-
e-mail: [email protected]
Про компанію
...Читати далі