Опубликована статья по новой линейке IGBT модулей

Введение

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 курса 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 изделий от 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;
• Сборка 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+

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).

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.

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 радиационно-термической 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.

Результаты испытаний IGBT-модулей

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.