К ставшими привычными за последние десятилетия силовым модулям, используемым в практически во всех типах преобразователей электрической энергии:

  • Устройства плавного пуска асинхронных двигателей

  • Выпрямители

  • Привода DC двигателей

  • Источники бесперебойного питания (UPS)

  • Системы регулирования освещения

  • Системы регулирования температуры

  • Электротехнологические установки,

Тиристорные и диодно-тиристорные модули

Разработчики и эксплуатационщики предъявляют все более высокие требования по плотности мощности и надежности. Производители тиристорных и диодно-тиристорных модулей, вынуждены решать весьма противоречивую задачу: "удешевление продукта с одновременным повышением потребительских свойств".

При выборе типа тиристорного или тиристорно-диодноного модуля для конкретных условий эксплуатации в основном принимают во внимание  следующие факторы:

  • входное напряжение и пределы его изменения;
  • ток нагрузки, коэффициент и длительность перегрузки при заданных условиях охлаждения;
  • допустимая зона рабочих характеристик (область безопасной работы).

Максимально допустимые значения предельного напряжения, пикового тока и температуры кристалла, приводимые в спецификациях, не должны быть превышены ни при каких условиях эксплуатации, включая перегрузочные.


Поэтому в кратких справочных материалах/каталогих (назывемых Short-Forms) производители привоядт чаще всего не два параметра
(ток/напряжение, да еще и неизвестно какие), а основные (с обозначениями):

VDRM -Повторяющееся импульсное(пиковое) напряжение в закрытом состоянии
VRRM -Повторяющееся импульсное(пиковое) обратное напряжение
ITRMS - Действующее значение переменного тока в открытом состоянии
ITAV - Среднее значение переменного тока в открытом состоянии
Tc - Температура корпуса
ITSM - Бросок тока в открытом состоянии (ударный ток)
RTcont - остаточное омическое сопротивление
VT(TO) - Прямое падение напряжения в открытом состоянии
TVj - эффективная температура p-n перехода
Rth(j-c) - Тепловoе сопротивление p-n переход-корпус

 

То же самое относится к механическим и климатическим воздействиям, параметрам изоляции, изложенным в оригинальных Data Sheet,
а также требованиям, изложенным в руководстве по монтажу (например момент затяжки механических соединений [1]).
Проблема модернизации стандартных тиристорных и диодно-тиристорных модулей состоит в том, что улучшение электрических и тепловых характеристик не должно приводить к изменению размеров корпуса, а также способа крепления и подключения модулей. Замена устаревших силовых приборов на новые обязана происходить без какого-либо вмешательства в конструкцию. В первую очередь это относится к таким распространенным и популярным компонентам, как электроизолированные тиристорные и диодно-тиристорные модули, котрые в производственной программе SEMIKRON носят название / см. по линку/ SEMIPACK (рис. 1) (SKKT, SKKH, SKMT, SKKL).

Рис. 1 Конструкция модулей 5-го /а/ и 6-го /б/ поколений

Одним из наиболее инновационных решений, внедренных в 6-м поколении SEMIPACK, стали пружинные соединения выводов управления с токонесущими шинами DBC-подложки (рис. 1б). Надежность и стабильность параметров пружинных контактов во время эксплуатации подтверждают как собственные исследования /включая набор статистики отказов/ конструкции модулей SEMIKRON, так и внешние эксперты [3].

Основным отличием конструкции тиристорных и диодно-тиристорных модулей 5-го и 6-го поколения является серьезное сокращение количества промежуточных слоев. Эти изменения показаны на рис. 2, из которого видно, что у новых компонентов исчезла переходная молибденовая  пластина и отсутствует тонкий слой меди изолирующей DBC-подложки. Кремниевые кристаллы установлены непосредственно на керамическую основу, что позволило снизить тепловое сопротивление и повысить допустимую плотность тока.

Рис.2 Количество промежуточных слоев модулей 5-го и 6-го поколений

Изменение внутренней конструкции предыдущего и нового поколений приведено на рис. 3, на котором показаны отчетливо видимые изменения вида электрических контактов. Ремонтников силовых преобразователей обязательно порадует тот факт, что, несмотря на многочисленные доработки, новые модули SEMIPACK 6 полностью совместимы с тиристорными и диодно-тиристоррными модулями предыдущих серий, и по габаритным размерам, и способу подключения силовых и сигнальных выводов.

Рис. 3 Подключение силовых и сигнальных выводов тиристорных и диодно-тиристорных модулей

Для разработчиков и пользователей это является очень важным, поскольку означает, что переход на новое поколение будет произведен без каких-либо изменений в конструкции токоведущих силовых шин, ппрофилей охладителей, сигнальных шлейфов и т. д. Диапазон рабочих напряжений, токов и мощностей, в которых могут работать и работают тиристорные и диодно-тиристорные модули  SEMIPACK  SEMIKRON, приведен на рис.4

Рис. 4 Линейка модулей SEMIPACK 6 и диапазоны рабочих токов

Как быть с теплом стандартных тиристорных и диодно-тиристорных модулей

Паяные соединения являются неспроста относят к наиболее значимым факторам [2], определяющим рабочий ресурс силовых ключей в условиях изменяющейся
нагрузки. Если взять, модуль типа SEMIPACK 5-го поколения(это касается всех типов SKKT, SKKH, SKMT, SKKL), то он
в течение срока службы способен выдержать не более 10тыс. термоциклов с температурными перепадами ΔTj = 100 K. Основной причиной отказа в данном случае является вялотекущее разрушение паяного соединения. Усталостные поцессы имеют свойство накапливаться, что приводит к росту теплового сопротивления Rth паянного слоя, локальному перегреву кристаллов и последующему отказу компонента.
Величина Rth(j-c) (сопротивление «кристалл – корпус») является интегральным параметром, определяет температуру перегрева чипа относительно корпуса на 1 Вт выводимой вовне  мощности, и наиболее достоверно показывает тепловые свойства всей конструкции. Сокращение количества слоев привело к более чем на 30% снижению значимости этого параметра в "деле об отказах" тиристорных и диодно-тиристорных модулях SEMIPACK 6-го поколения.
В середине 70-х годов прошлого столетия SEMIKRON предложил инновационную концепцию изолированного силового ключа, суть которой : отделить пути протекания электрических от тепловых потоков (рис. 5).

Рис. 5 Коэффициенты расширения и тепловые потоки

Изолированнй модуль состоит из различных материалов, которые имеют разные термомеханические характеристики: полупроводниковые кристаллы, медные и алюминиевые проводники, керамические пластины. Металлические составляющие и изолирующие элементы, обладающие отличающимися величинами коэффициентов теплового расширения КТР (или CTE — Coefficient of Thermal Expansion), жестко связаны между собой. Следствием всегда имеющихся колебаний температуры чипов, инициированных девиациями и флуктуациями тока нагрузки, является генерирование термомеханических стрессов, вохдействующих на неразъемно связанные слои. В таблице, показанной на рис. 5, приведены значения КТР основных
материалов модуля. С возрастанием градиента и средней температуры циклов увеличивается вероятность преждевременного разрушения этих соединений. Абсолютная величина получающейся механической напряженности конструкции пропорциональна разности КТР, величине площади контакта и перепаду температуры ΔT.

Отвод тепла от мощных полупроводниковых компонентов осуществляется с помощью радиаторов (охлаждающих профилей), имеющих ребристую поверхность. Как правило,
они изготавливаются из алюминия или (в редких случаях) из меди и сплавов. Применение ребер позволяет увеличить площадь охлаждающей поверхности, улучшить конвекцию и теплоизлучение, упорядочить тепловые потоки и снизить тепловое сопротивление.
Эффективный отвод тепла в системах средней и высокой мощности реален только применением принудительного охлаждения, воздушного или жидкостного. Достаточный объем прокачиваемого воздуха определяется путем теплового моделирования и экспериментально /напр. - калориметрическим методом/ и позволяет снизить тепловое сопротивление Rth(s–a) на 30–90%,  сделав его малозависимым от рассеиваемой мощности.
Вполне естественно, что конструкция модуля должна быть разработана таким образом, чтобы предотвратить отрицательное воздействие термоциклов на срок эксплуатации. Основными путями решения этой задачи в отношении стандартных тиристорных и диодно-тиристорных модулей является максимальный отказ от паяных соединений и использование более пластичных припоев.
Применение пружинных контактов в качестве сигнальных выводов также позволяет повысить стойкость силовых ключей к термоциклированию. Подобный способ подключения (рис. 1б), способствующий упрощению и удешевлению процесса сборки, может быть использован в широком диапазоне мощностей и типов корпусов модулей.
Существенная переработка внутренней конструкции диодно-тиристорного модуля SEMIPACK 6 позволила существенно улучшить также его электрические характеристики. Любому специалисту известно, что снижение величины теплового сопротивления позволяет повысить рабочий ток ключа. Увеличить плотность тока удалось, кроме всего, благодаря использованию чипов с угловым расположение  затвора, которые дают рост эффективной площади по сравнению со стандартными кристаллами, имеющими центральный затвор. Результатом всех изложенных  мер явилось увеличение  более чем на 10% нагрузочной способности новых тиристорных или диодно-тиристорных модулей, однако суммарная полезная площадь чипов осталась неизменной.
Также значимым параметром, позволяющим хотя и косвенно, но достаточно достоверно оценить надежность силового ключа, является допустимая амплитуда тока перегрузки I TSM, которая для компонентов 6-го поколения не изменилась по отношению к 5-му поколению. Этот параметр определяется как пиковое значение однократного полусинусоидального импульса тока длительностью 10 мс или 8,3 мс (для сетей 50 или 60 Гц) /эдакого "колокола" /, который способен пропустить тиристорный или диодно-тиристорный модуль, оставшись при этом работоспособным.
Вся продукция SEMIKRON, включая диодно-тиристорные модули, проходит специальные квалификационные тесты [5]:

 

Test

Description

Status

High Temperature Reverse Bias

IEC 60747

1000h, DC, 66% of voltage class,

105°C£TC£120°C

passed

High Temperature Storage

IEC 60068-2-2

1000h, Tstgmax

passed

High Humidity High Temperature
Reverse Bias
IEC 60067-2-67

1000h, 85°C, 85%RH

VD/VR=80%VDmax/VRmax, max. 80V

running

Low Temperature Storage

IEC 60068-2-1

1000h, Tstgmin

not started

Thermal Cycling

IEC 60068-2-1-14 Test Na

25 cycles,

Tstgmax - Tstgmin

running

Power cycling

IEC 147-4

10000 load cycles

DTj=100K

running

Vibration

IEC 60068-2-6 Test Fc

Sinusoidal sweep, 5g,
2h per axis (x,y,z)

not started

Mechanical Shock

IEC 60068-2-27 Test Ea

Half sine pulse, 30g,

3 times each direction (±x, ±y, ±z)

not started

 

По результатам таких тестов определяются граничные величины параметров модулей для различных режимов работы,
и оценка возможного влияния технологических и конструкторских нововведений на надежность инновационных продуктов. Особенное внимание уделяется оценке уровней надежности полупроводниковых кристаллов и конструктивов модулей. Во всех случах испытания
производятся под наблюдением авторитетных контролирующих органов, таких, как UL (Underwriters Laboratories — лаборатория по технике безопасности США).

Литература

1. SEMIPACK Technical Explanation, 2011.- 35p.
2. Ma J., Gill M. New Assembly Technology for Soldered Thyristor Modules // Semikron International. 2008.
3. Колпаков А. Надежность пружинных контактовв условиях индустриальных сред // Силовая электроника. 2006. № 4.
4. Beckedahl P., Tursky W., Scheuermann U. Packaging Considerations of an Integrated Inverter Module (IIM) for Hybrid Vehicles // SEMIKRON International.2005.
5. http://www.semikron.com/dl/service-support/downloads/download/semikron-application-manual-power-semiconductors-english-en-2010-11.pdf