Діод-тиристорні модулі

Системи регулювання температури

Розробники та експлуатаційники пред'являють все більш високі вимоги по щільності потужності і надійності. Виробники тиристорних і діод-тиристорних модулів, змушені вирішувати дуже суперечливе завдання: "здешевлення продукту з одночасним підвищенням споживчих властивостей".

При виборі типу тиристорного або тиристорно-діодноного модуля для конкретних умов експлуатації в основному беруть до уваги такі фактори:

вхідна напруга і межі його зміни;
струм навантаження, коефіцієнт і тривалість перевантаження при заданих умовах охолодження;
допустима зона робочих характеристик (область безпечної роботи).

Максимально допустимі значення граничного напруження, пікового струму і температури кристала, що наводяться в специфікаціях, не повинні бути перевищені ні за яких умов експлуатації, включаючи перевантажувальні.

Тому в коротких довідкових матеріалів / Каталог (називемих Short-Forms) виробники прівоядт найчастіше не два параметра
(Струм / напруга, та ще й невідомо які), а основні (з позначеннями):

VDRM повторював імпульсна (пікове) напруга в закритому стані
VRRM повторював імпульсна (пікове) зворотна напруга
ITRMS - Діюче значення змінного струму у відкритому стані
ITAV - Середнє значення змінного струму у відкритому стані
Tc - Температура корпусу
ITSM - Кидок струму у відкритому стані (ударний струм)
RTcont - залишкове омічний опір
VT (TO) - Пряме падіння напруги в відкритому стані
TVj - ефективна температура p-n переходу
Rth (j-c) - Тепловoе опір p-n перехід-корпус

Те ж саме відноситься до механічних і кліматичних впливів, параметрам ізоляції, викладеним в оригінальних Data Sheet,
а також вимогам, викладеним в керівництві по монтажу (наприклад момент затяжки механічних з'єднань [1]).
Проблема модернізації стандартних тиристорних і діод-тиристорних модулів полягає в тому, що поліпшення електричних і теплових характеристик не повинно призводити до зміни розмірів корпусу, а також способу кріплення і підключення модулів. Заміна застарілих силових приладів на нові має відбуватися без будь-якого втручання в конструкцію. В першу чергу це відноситься до таких поширеним і популярним компонентів, як електроізольовані тиристорні і діод-тиристорні модулі, котрі у виробничій програмі SEMIKRON звуться / см. По лінку / SEMIPACK (рис. 1) (SKKT, SKKH, SKMT, SKKL).

Мал. 1 Конструкція модулів 5-го / а / і 6-го / б / поколінь

Одним з найбільш інноваційних рішень, впроваджених в 6-м поколінні SEMIPACK, стали пружинні з'єднання висновків управління з токонесущей шинами DBC-підкладки (рис. 1б). Надійність і стабільність параметрів пружинних контактів під час експлуатації підтверджують як власні дослідження / включаючи набір статистики відмов / конструкції модулів SEMIKRON, так і зовнішні експерти [3].

Основною відмінністю конструкції тиристорних і діод-тиристорних модулів 5-го і 6-го покоління є серйозне скорочення кількості проміжних шарів. Ці зміни показані на рис. 2, з якого видно, що у нових компонентів зникла перехідна молибденовая пластина і відсутня тонкий шар міді ізолюючої DBC-підкладки. Кремнієві кристали встановлені безпосередньо на керамічну основу, що дозволило знизити тепловий опір і підвищити допустиму щільність струму.

Рис.2 Кількість проміжних шарів модулів 5-го і 6-го поколінь

Зміна внутрішньої конструкції попереднього і нового поколінь наведено на рис. 3, на якому показані чітко видимі зміни виду електричних контактів. Ремонтників силових перетворювачів обов'язково порадує той факт, що, незважаючи на численні доопрацювання, нові модулі SEMIPACK 6 повністю сумісні з тиристорн і діод-тірісторрнимі модулями попередніх серій, і за габаритними розмірами, і способу підключення силових і сигнальних висновків.

Мал. 3 Підключення силових і сигнальних висновків тиристорних і діод-тиристорних модулів

Для розробників і користувачів це є дуже важливим, оскільки означає, що перехід на нове покоління буде проведений без будь-яких змін в конструкції струмоведучих силових шин, ппрофілей охолоджувачів, сигнальних шлейфів і т. Д. Діапазон робочих напруг, струмів і потужностей, в яких можуть працювати і працюють тиристорні і діод-тиристорні модулі SEMIPACK SEMIKRON, наведено на рис.4

Мал. 4 Лінійка модулів SEMIPACK 6 і діапазони робочих струмів

Як бути з теплом стандартних тиристорних і діод-тиристорних модулів

Паяні з'єднання є неспроста відносять до найбільш значущих чинників [2], що визначає робочий ресурс силових ключів в умовах мінливої
навантаження. Якщо взяти, модуль типу SEMIPACK 5-го покоління (це стосується всіх типів SKKT, SKKH, SKMT, SKKL), то він
протягом терміну служби здатний витримати не більше 10тис. термоциклов з температурними перепадами ΔTj = 100 K. Основною причиною відмови в даному випадку є уповільнене руйнування паяного з'єднання. Втомні поцессе мають властивість накопичуватися, що призводить до зростання теплового опору Rth паяного шару, локального перегріву кристалів і подальшого відмови компонента.
Величина Rth (j-c) (опір «кристал - корпус») є інтегральним параметром, визначає температуру перегріву чіпа щодо корпусу на 1 Вт виведеної назовні потужності, і найбільш вірогідно показує теплові властивості всієї конструкції. Скорочення кількості шарів привело до більш ніж на 30% зниження значущості цього параметра в "справі про відмови" тиристорних і діод-тиристорних модулях SEMIPACK 6-го покоління.
В середині 70-х років минулого століття SEMIKRON запропонував інноваційну концепцію ізольованого силового ключа, суть якої. відокремити шляху протікання електричних від теплових потоків (рис. 5).

Мал. 5 Коефіцієнти розширення і теплові потоки

Ізольованість модуль складається з різних матеріалів, які мають різні термомеханічні характеристики: напівпровідникові кристали, мідні і алюмінієві провідники, керамічні пластини. Металеві складові і ізолюючі елементи, що володіють відмінними величинами коефіцієнтів теплового розширення КТР (або CTE - Coefficient of Thermal Expansion), жорстко пов'язані між собою. Наслідком завжди наявних коливань температури чіпів, ініційованих девіацій і флуктуаціями струму навантаження, є генерування термомеханических стресів, вохдействующіх на нероз'ємно пов'язані шари. У таблиці, показаної на рис. 5, наведені значення КТР основних
матеріалів модуля. Із зростанням градієнта і середньої температури циклів збільшується ймовірність передчасного руйнування цих сполук. Абсолютна величина получающейся механічної напруженості конструкції пропорційна різниці КТР, величиною площі контакту і перепаду температури ΔT.

Відведення тепла від потужних напівпровідникових компонентів здійснюється за допомогою радіаторів (охолоджуючих профілів), що мають ребристу поверхню. Як правило,
вони виготовляються з алюмінію або (в окремих випадках) з міді і сплавів. Застосування ребер дозволяє збільшити площу охолоджуючої поверхні, поліпшити конвекцію і тепловипромінювання, упорядкувати теплові потоки і знизити тепловий опір.
Ефективне відведення тепла в системах середньої і високої потужності реальний тільки застосуванням примусового охолодження, повітряного або рідинного. Достатній обсяг повітря, що прокачується визначається шляхом теплового моделювання та експериментально / напр. - калориметричним методом / і дозволяє знизити тепловий опір Rth (s-a) на 30-90%, зробивши його малозавісімим від розсіюється.
Цілком природно, що конструкція модуля повинна бути розроблена таким чином, щоб запобігти негативний вплив термоциклов на термін експлуатації. Основними шляхами вирішення цього завдання щодо стандартних тиристорних і діод-тиристорних модулів є максимальний відмова від паяних з'єднань і використання більш пластичних припоев.
Застосування пружинних контактів в якості сигнальних висновків також дозволяє підвищити стійкість силових ключів до термоциклювання. Подібний спосіб підключення (рис. 1б), що сприяє спрощенню і здешевленню процесу складання, може бути використаний в широкому діапазоні потужностей і типів корпусів модулів.
Істотна переробка внутрішньої конструкції діод-тиристорного модуля SEMIPACK 6 дозволила істотно поліпшити також його електричні характеристики. Будь-якому фахівцеві відомо, що зниження величини теплового опору дозволяє підвищити робочий струм ключа. Збільшити щільність струму вдалося, крім усього, завдяки використанню чіпів з кутовим розташування затвора, які дають зростання ефективної площі в порівнянні зі стандартними кристалами, що мають центральний затвор. Результатом всіх викладених заходів стало збільшення більш ніж на 10% електричного навантаження на нових тиристорних або діод-тиристорних модулів, однак сумарна корисна площа чіпів залишилася незмінною.
Також значущим параметром, що дозволяє хоча і побічно, але досить достовірно оцінити надійність силового ключа, є допустима амплітуда струму перевантаження I TSM, яка для компонентів 6-го покоління не змінилася по відношенню до 5-го покоління. Цей параметр визначається як пікове значення одноразового напівсинусоїдальної імпульсу струму тривалістю 10 мс або 8,3 мс (для мереж 50 або 60 Гц) / такого "дзвони" /, який здатний пропустити тиристорний або діод-тиристорний модуль, залишившись при цьому працездатним.
Вся продукція SEMIKRON, включаючи діод-тиристорні модулі, проходить спеціальні кваліфікаційні тести [5]:

література

Київ, пр.Перемоги 56, оф.335