Силовая ЭКБ: линейка полностью отечественных IGBT модулей

АО «Ангстрем», ведущее в России предприятие полного цикла по производству силовых полупроводниковых приборов, разработало серию силовых модулей с рабочим напряжением от 400 до 6500 В. Модули выпускаются на базе кристаллов полностью собственной разработки и производства, что выгодно отличает их от других аналогов. Разработано несколько десятков вариантов модулей в разных конфигурациях и корпусах – от стандартных 34мм, 62мм, SOT 227 до герметичных металлокерамических и «полуприжиных» конструкций. Изделия прошли весь цикл квалификационных испытаний, опытную эксплуатацию и готовы к серийным поставкам, как на внутренний, так и на внешний рынок.

Рост популярности электротранспорта и энергоэффективных передающих устройств наблюдается уже несколько лет подряд. Производство электродвигателей, аккумуляторов, зарядных станций растет стремительными темпами, только в одном Китае потребность в электромобилях в 2019 году превысила 500 000 единиц. Количество электробусов в Москве уже больше, чем в любой другой столице Европы. Увеличиваются требования к энергоэффективности производства.

Данная тенденция привела к росту потребности в силовой электронике и, в частности, в IGBT модулях. Важность данного направления подчеркнута и на федеральном уровне, технология производства  IGBT модулей относится к технологиям входящим в Перечень критических технологий Российской Федерации (утвержден Указом Президента Российской Федерации от 7 июля 2011 года № 899 п.п.№ 2, 24, 26: технологии силовой электроники, технологии транспортной техники нового поколения и технологии создания энергосберегающих систем транспортировки, распределения и использования энергии).

На данный момент до 90% российского рынка силовой электроники занято модулями на кристаллах иностранного производства, что приводит к нескольким негативным последствиям:

1. Изменения курсов валют резко влияют на стоимость модулей, что приводит к росту себестоимости производства готовых изделий
2. Возникает угроза потери канала поставки из-за карантинных ограничений, санкций, пошлин и т.д.
3. Закупка кристаллов у разных поставщиков приводит к несовпадению технических параметров, что увеличивает затраты на их испытания.
4. Кристаллы для силовых модулей с напряжением от 3300 В и выше поставляются в Россию с ограничениями.

Кристаллы, рассчитанные на напряжение  от 2500 В до 6500 В наиболее востребованы для производства высоковольтных сильноточных IGBT модулей для силовых агрегатов пассажирских вагонов и тяговых локомотивов, для производства современных энергоэффективных интеллектуальных энергетических систем . Кроме того, они используются в силовых агрегатах горнодобывающей отрасли и судоходном транспорте.

Основными потребителями IGBT модулей напряжением от 650 В до 1700 В являются предприятия, выпускающие силовые электронные приводы, устройства плавного пуска и частотные преобразователи, применяемые на электротранспорте, электроприводах моторов лифтов и лебедок, насосных станций, промышленных сварочных аппаратах,  инверторах солнечной и ветряной энергетики и многое другое.

Производство полного цикла

АО «Ангстрем» - единственная компания в России, которая производит серию собственных кристаллов IGBT и FRD в диапазоне от 400 до 6500 В в рамках одного предприятия. Цикл производства силовых модулей включает: разработку топологии и конструкции изделий, производство кристаллов, измерения на пластине, сборку в корпусе, тестирование, поставку готовой продукции, техническую поддержку. Наличие собственных производственных линий позволило предприятию усовершенствовать технологию производства кристаллов для силовой электроники. Производится оптимизация характеристик биполярных транзисторов с изолированным затвором и быстровосстанавливающихся диодов, что существенно увеличивает количество рабочих циклов, надежность и долговечность модулей. Кроме того, за последние два года АО «Ангстрем» освоило выпуск драйверов управления на собственных микросхемах драйверного ядра, аналогов популярных драйверов Power Integration, как для полевых транзисторов, так и для модулей IGBT, что обеспечивает решения более высокого уровня, нежели просто компонентная база.

Наличие собственной производственной базы позволяет предприятию реализовать стабильные поставки продукции независимо от мировой ситуации, обеспечивать импортозамещение критически важной продукции для индустриально-промышленного комплекса, и для страны в целом.

Основные преимуществ IGBT модулей АО «Ангстрем»:

• Полностью контролируемое производство, начиная от входного контроля материалов и заканчивая выходными параметрами изделий;
• Парная конструкция: при производстве транзистор и диод оптимизируются для данного типа модуля;
• Собственные технологии производства кристаллов: IGBT – NPT+, FRD – FRED+;
• Полная линейка, способная закрыть потребности клиента от 650 В до 6500 В;
• Совместимые драйверы собственной разработки для управления модулями до 1700 В;
• Корпусирование в металлопластмассовые корпуса с возможностью замены импорта “pin-to-pin”.

Остановимся на технических деталях и особенностях конструкции модулей от АО «Ангстрем». Что отличает их от существующих на рынке и что может предприятие предложить отрасли?

Технологии производства кристаллов

Технология NPT (non-punch through) активно использовалась в конце 90-х – начале 2000-х, пока не появились новые технологии – Trench и Field Stop Trench. Преимуществами Trench транзисторов является их размер и стоимость, что позволило им найти широкое применение в бытовой технике. Но при этом, одним из недостатков была относительно низкая устойчивость к режимам жесткого переключения и, как следствие, больший процент выхода из строя, чем у NPT кристаллов.

Поскольку АО «Ангстрем» ориентировано на обеспечение нужд оборонно-промышленного комплекса, при разработке собственного кристалла, были внедрены ряд инноваций для повышения стойкости к режимам жесткого переключения и самоограничению тока КЗ.

Это позволило увеличить ресурс работы модулей по количеству энергоциклов, существенно увеличив время их эксплуатации и эффективность жизненного цикла (отношение стоимости ко времени эксплуатации).

В таблице 1 и рисунке 1 приведены технические данные, демонстрирующие преимущества технологии NPT+ по сравнению с аналогичными, изготовленными по NPT (Режим измерений: U_КЭ = 600 В, I_K=150 А, L=200 мкГн, U_ЗЭ = ±15 В, R_З = 10 Ом).

Таблица 1. Сравнение динамических параметров диодов производства АО «Ангстрем», Infineon, Mitsubishi.

ANGSTREM-1-2

INFINEON-1-2

MITSUBISHI-1-2

Рис. 1. Осциллограммы переключения, сравнение с импортными аналогами.

Стойкость к короткому замыканию

Один из ключевых параметров работы силовых модулей – их устойчивость ко внешним воздействиям. Один из таких параметров – стойкость к току короткого замыкания. Модули производства АО «Ангстрем» в 4 раза превосходят импортные аналоги по времени стойкости к току КЗ.

IGBT кристаллы АО «Ангстрем» на испытаниях продемонстрировали высокую устойчивость к перегрузке по току короткого замыкания в течение 40 мкс, в то время как у импортных аналогов она заявляется не более 10 мкс.

Рис. 2. Устойчивость IGBT модуля АО «Ангстрем» к току короткого замыкания.

А – напряжение коллектор-эмиттер, Б – ток коллектора, В – напряжение затвор-эмиттер.

На рисунке 2 видно, что транзистор имеет шестикратный запас прочности по току перегрузки в течение 40 мкс при Vcе = 800 В, Vge = ±15 В (для IGBT модуля 75 А 1200 В).

Устойчивость к току короткого замыкания весьма важна при работе в схемах электропривода. Также весьма высокой оказалась надёжность модуля при работе в условиях высоких температур.

Оптимизация параметров транзистора и диода

Важным элементом управления модулем является быстровосстанавливающийся диод (БВД). Не секрет, что многие производители модулей используют компоненты, произведенные разными компаниями. Это приводит к невозможности гибкой настройки параметров модуля, требует многоступенчатой схемы внесения коррекции в параметры компонент модуля.

АО «Ангстрем» производит транзисторы и диоды, оптимизированные по динамическим параметрам. Параметры диодов определяются радиационнотермической обработкой кристаллов, что позволяет их подстраивать под разные режимы работы изделия. В результате электрические параметры диодов остаются стабильными даже при сильном нагреве, что отмечено многими потребителями.

Для сравнения параметров БВД производства АО «Ангстрем» с импортными аналогами, была проведена совместная работа с ОАО «Электровыпрямитель», г. Саранск по сборке изделий в корпус, измерению статических и динамических параметров приборов. Так же были проведены динамические исследования на кафедре Промышленной электроники НИУ «МЭИ» г. Москва.

Результаты измерений БВД на 1200 В 75 А приведены в таблице 2 и 3, осциллограммы работы диода приведены на рис. 3 и 4.

Таблица 2 – сравнительная таблица статических параметров БВД АО «Ангстрем» An75FRD12 (75 A, 1200 В) и импортного аналога Infineon SIDC56E120D6

Таблица 3 – сравнительная таблица динамических параметров БВД АО «Ангстрем» An75FRD12 (75 A, 1200 В) и импортного аналога Infineon SIDC56E120D6

Рис. 3 – An75FRD12 АО «Ангстрем»                 

 Рис. 4 – SIDC56E120D6 Infineon

Результаты измерений БВД на 4500 В 60 А приведены в таблице 4 и 5, осциллограммы работы диода приведены на рис. 5.

Таблица 4 – сравнительная таблица статических параметров БВД  АО «Ангстрем» An60FRD45 (60 A, 4500 В) и импортного аналога АВВ 5SLY12L4500.

Таблица 5 – сравнительная таблица динамических параметров БВД АО «Ангстрем» An60FRD45 (60 A, 4500 В) и импортного аналога АВВ 5SLY12L4500.

Рис. 5 – An60FRD45 АО «Ангстрем»

Результаты измерений БВД на 6500 В 50 А приведены в таблице 6 и 7, осциллограммы работы диода приведены на рис. 6.

Таблица 6 – сравнительная таблица статических параметров БВД АО «Ангстрем» An50FRD65 (50 A, 6500 В) и импортного аналога АВВ 5SLX12M6500.

Таблица 7 – сравнительная таблица динамических параметров БВД АО «Ангстрем» An50FRD65 (50 A, 6500 В) и импортного аналога АВВ 5SLX12M6500.

Рис. 6 – An50FRD65 АО «Ангстрем»

Вывод: Диоды АО «Ангстрем» имеют меньшее значение trr, Qrr, Erec, могут работать в паре с IGBT транзисторами в инверторах на высоких частотах. По требованию заказчика, можно сделать диоды с малым Irr и лучшей мягкостью обратного восстановления для работы бесснабберных RC-цепей на малых рабочих частотах.

Для обеспечения долговечности и стабильности работы IGBT модулей на этапе сборки проводятся следующие операции:

• вакуумная пайка кристаллов на плату и радиатор за один технологический цикл;
• рентгеноскопический анализ качества пайки
• автоматизированная ультразвуковая разварка кристаллов и контроль качества сварных соединений;
• автоматическая заливка компаунда в подъобъемное пространство модуля;
• контроль внешнего вида открытого и закрытого модуля на каждом технологическом этапе производства.

При производстве модулей производятся:

• Контроль статических и динамических параметров при температуре 25 и 125°С;
• Контроль теплового сопротивления;
• Испытания на двойной импульс выключения в предельных режимах;
• Контроль напряжения изоляции;
• Испытания на надежность и безотказность (HTRB, HTGS, Термоциклирование, Электротермоциклы), и ток КЗ

Линейка IGBT модулей

Разработана серия модулей гражданского назначения из 19 моделей по 4 типа конфигураций: полумост, ключ верхнего уровня, ключ нижнего уровня, одиночный ключ в наиболее востребованных корпусах 34 и 62 мм. Модули прошли апробацию, поставляются как российским предприятиям, так и на экспорт.

Рис. 7 – Силовые модули АО «Ангстрем»

В настоящее время проводятся опытно-конструкторские работы и испытания по разработке серии модулей специального применения.

Таблица 8. Линейка IGBT модулей общепромышленного применения производства АО «Ангстрем»

Примечание: xxx – возможность производства несколько конфигураций (HB – полумост, LC – нижний чоппер, RC – верхний чоппер, HBE – общий эммитер).

Таблица 9. Типы конфигурации IGBT модулей

Полумост Half-Bridge
Ключ верхнего уровня Right Chopper
Ключ нижнего уровня Left Chopper
Два ключа с общим эмиттером Common emitter

Кроме стандартных модулей, предприятие освоило производство высоковольтных полуприжимных модулей, аналогичных модулям производства АBB, в диапазоне от 2500 В до 4500 В, от 1200 А до 2000 А.  Данные модули могут использоваться для передачи и конвертации переменного и постоянного тока на электростанциях.

Рис. 8 Полуприжимной модуль AnM2000SSP25M

Для возможности использования силовой электроники в экстремальных условиях, была разработана серия модулей в герметичных металлокерамических корпусах.

Таблица 10. Линейка IGBT модулей специального применения

Рис. 9. Силовой полупроводниковый модуль 2МЕ103А в герметичном металлокерамическом корпусе.

Рис. 10 IGBT-драйвер ДР 8/1700

Двухканальный драйвер ДР 8/1700 разработан для управления двумя IGBT-транзисторами малой и средней мощности при минимальном монтажном пространстве. Габариты драйвера всего 45 х 34,3 х 16 мм, что является самым компактным решением для промышленных применений в России.

Драйвер разработан на основе драйверного ядра собственного производства – комплекте микросхем АМ2101 и АМ2114. Использование комплектов драйверов и IGBT-модулей позволяет создавать законченные функциональные блоки и системы управления с оптимальными для заказчика параметрами.

• Контроль напряжения насыщения на коллекторе управляемого IGBT транзистора
• Регулировка порога защитного отключения по напряжению насыщению
• Блокировка управления при «аварии»
• Сигнализация о наличии аварийного режима
• Блокировка одновременного включения верхнего и нижнего плеча полумоста
• Контроль напряжений питания драйвера на входе, а также на выходе DC-DC преобразователя
• Регулировка времени блокировки управляемого транзистора.

• При рабочей температуре Т = 25°С
• Напряжение питания – 15 В ± 1 В
• Ток потребления, при FIN = 50 кГц – 100 мА
• Максимальная выходная мощность на канал – 1 Вт
• Напряжение затвора – +15/-8 В
• Пиковый выходной ток (ток затвора) – от -8 А до +8 А
• Максимальная частота управляющего сигнала FIN до 50 кГц
• Температурный диапазон от -40°С до + 85°С.

АО «Ангстрем» разрабатывает и производит не только электронные компоненты для силовой электроники, но и функциональные комплекты изделий – кристаллы, транзисторы, модули драйверы управления. Полный цикл разработки и производства микроэлектронной продукции открывает возможность совершенствовать технологии, расширять модельный ряд под задачи конкретного заказчика, а также успешно конкурировать с импортными аналогами.

В качестве таких заказчиков уже выступили Минпромторг, Министерство обороны РФ, Росатом и ряд других крупных государственных министерств. Накоплен большой опыт разработки, а также широкий спектр уже готовых решений, которые могут стать основой для модификации существующих разработок. Это открывает возможность развития и разработки новых изделий для компаний, работающих в ответственных областях энергетики, промышленности, транспорта, в условиях Арктики и Космоса.

В настоящее время активно ведутся работы по направлениям:

• Бесшовная технология сборки WCP, которая позволяе т увеличить эффективную рабочую площадь DBC подложек;
• MOSFET-модули с рабочим напряжением от 60 до 1200 В;
• Производство кристаллов по технологии Field Stop
• Освоение сборки в корпус, аналогичного Econodual.

Гибкая адаптация параметров продукции к нуждам российских предприятий является важным преимуществом, позволяет добиваться наиболее высоких характеристик конечного изделия. Ангстрем готов предоставлять как готовые решения, так и проводить совместные разработки новых изделий.

Ярослав Вренев
Инженер-конструктор перспективных приборов силовой электроники
Vrenev@angstrem.ru

Олег Голик
Начальник отдела развития продуктов и новых применений.
golik@angstrem.ru

Станислав Клейн
Начальник отдела маркетинга и корпоративных коммуникаций
klein@angstrem.ru