eng
Силовая электроника – одна из бурно развивающихся областей электроники в XXI веке. Наиболее перспективным направлением являются интеллектуальные силовые компоненты: интегрированные силовые микросхемы, ключи и модули. Это направление стремительно развивается благодаря успехам в совершенствовании технологии изготовления и значительному улучшению параметров мощных полевых транзисторов (MOSFET), биполярных транзисторов с изолированным затвором (IGBT), силовых драйверов более высокой степени интеграции. Интеграция схем управления (драйверов, контроллеров) в силовые ключи и затем в исполнительные устройства и механизмы стала и необходимым, и оправданным шагом. В настоящее время, а тем более в будущем, интеллектуальным силовым компонентам в силовой электронике альтернативы не предвидится.
Cиловая электроника (Power Electronics) базируется на ключевых режимах преобразования энергии и связана с современными методами анализа и синтеза электронных цепей, которые обеспечивают эффективные преобразование, управление и регулирование электрической энергии с помощью силовых полупроводниковых приборов.
Основными приборами силовой электроники в области коммутируемых токов до 50 А являются:
* диоды (Diodes);
* тиристоры (Thyristors, SCR);
* биполярные транзисторы (BPT);
* биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT);
* полевые транзисторы с изолированным затвором (MOSFET);
* силовые интегральные схемы (Power IC);
* интеллектуальные силовые интегральные схемы (Smart Power IC).
* Основные приборы силовой электроники в области коммутируемых токов более 50 А:
* силовые модули на базе биполярных транзисторов;
* силовые модули на базе IGBT;
* тиристоры;
* запираемые тиристоры (GTO, IGCT);
* диоды.
Самыми распространенными приборами в диапазоне до 50 А являются полевые транзисторы с изолированным затвором –
MOSFET. Эти приборы обладают малыми статическими и динамическими потерями, незначительными затратами на управление, крайне небольшими временами переключения и работают на частотах до 1 МГц. Это позволило практически полностью вытеснить из низковольтных преобразовательных устройств (< 200 В) все остальные типы силовых полупроводниковых приборов. Совершенствование технологии изготовления MOSFET расширило область применения приборов этого класса в диапазоне коммутируемых напряжений 600–1000 В и при мощностях до 10 кВт MOSFET заменили силовые биполярные транзисторы.
В области средних напряжений (500–600 В и выше) предпочтительны биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT – Insulated Gate Bipolar Transistors).
В настоящее время IGBT обеспечивают коммутацию токов до 3600 А и напряжений до 6,5 кВ. При этом времена переключения биполярных транзисторов с изолированным затвором лежат в диапазоне 200–400 нс.
МОП-управляемые приборы стимулировали развитие силовых модулей, в которых ключевые, а в некоторых случаях и информационные элементы, соединяются методами пленочной технологии на общей теплопроводящей изолирующей подложке, образуя всю или часть силовой схемы преобразовательного устройства.
Силовые модули разделяются на обычные (стандартные) IGBT-модули и интеллектуальные. Стандартные модули выпускаются в одно-, двух-, четырех- и шестиключевом исполнении с обратными быстровосстанавливающимися диодами (FRD — Fast Recovery Diodes) или без них. Интеллектуальные силовые модули (IPM –
Intelligent Power Modules) кроме силовой части схемы преобразователя (мостового одно- или трехфазного выпрямителя, мостового инвертора) содержат в едином корпусе также датчики, схемы драйверов, защиты, диагностики, источников питания и т.п. Стандартные IGBT-модули можно условно разбить на два типа: паяной конструкции с изолированным основанием и прижимной (Press-Pack).
Состояние отечественных разработок и производств
Рынок силовых модулей в России на 95% заполнен продукцией импортного производства. Однако при этом существуют российские аналоги зарубежных силовых модулей. Они, как правило, дешевле и применяются там, где запрещено использование импортной продукции (например, электроника для ВПК).
К сожалению, российские производители силовых модулей пока не приобрели широкой известности. Тем не менее, они успешно работают на рынке, постепенно завоевывая популярность у российских разработчиков. Примером может служить компания ОАО "Контур" (Чебоксары), работающая на рынке с 1998 года. Она выпускает широкий спектр современной элементной базы для производителей преобразовательной, приводной и бытовой техники, а также для ВПК. Предприятие наладило серийный выпуск более 50 наименований IGBT-модулей (на напряжения 600–1700 В и токи до 400 А) и MOSFET-модулей (на напряжения 100–800 В и токи 30–500 А). В 2006 году на предприятии в строй было введено полностью автоматизированное технологическое оборудование, которое позволяет исключить человеческий фактор из процесса производства и обеспечить 100%-ный выходной параметрический контроль изделий. Модули производятся на базе импортных кристаллов, что позволяет получить качество импортных модулей по цене российских. Компания гарантирует техническое обслуживание поставляемых модулей после продажи. Самая широкая и популярная серия модулей ОАО "Контур" — IGBT-модули.
Сегодня эти устройства занимают самый большой сегмент рынка силовых транзисторов. Основу IGBT-модулей составляют IGBT-транзисторы. От других транзисторов их отличает малая величина остаточного напряжения (не более 2,5 В), устойчивость к большим импульсным токам, малые емкости и заряды затворов, большие допустимые энергии переключения, расширенный диапазон области безопасной работы, высокие частоты переключения (до 25 кГц). Поэтому модули на их основе демонстрируют высокую надежность, высокое быстродействие и удобство в эксплуатации. Структуру приборов составляют одиночный ключ, чоппер, полумост, инвертор. Все приборы имеют встроенный инверсный быстровосстанавливающийся MPS-диод с "мягкими" характеристиками обратного восстановления. Корпус модуля включает изолированное медное основание, изоляция осуществляется керамикой Аl203. Модули имеют номинальное напряжение в диапазоне 600–1700 В, падение напряжения не более 1,7–2,0 В и токи до 400 А. Однако широкому их распространению мешает высокая стоимость.
Технические характеристики модулей представлены в табл.1. В последнем столбце приведен аналог – модуль, выпускаемый ОАО "Электровыпрямитель" (Саранск).
Для управления силовыми модулями рекомендуется применять драйверы на основе гибридных интегральных схем серии МД производства ОАО "Контур" – МД215П, МД250П, МД280П. Каждая такая ИС содержит два канала управления транзисторами с предельно допустимым напряжением до 1700 В и обеспечивает защиту от перегрузок, короткого замыкания в нагрузке, недостаточного уровня напряжения на затворе транзистора.
ОАО "Электровыпрямитель" — один из крупнейших российских производителей полупроводниковых приборов силовой электроники и преобразовательной техники – имеет почти пятидесятилетний опыт работы в этой области.
На предприятии освоен выпуск серии IGBT-модулей на токи 25–2400 А и напряжение до 3300 В (табл. 2). Производится свыше 60 типов силовых IGBT-модулей в семи базовых конструкциях, соответствующих международным стандартам. Схемные исполнения модулей — одиночные ключи, чопперы и полумосты. В модулях предусмотрены защитные диоды обратного тока с "мягкими" характеристиками восстановления.
Предприятие производит также IGBT-модули для транспорта. Конструкция этих модулей адаптирована для работы приборов в многократно повторяющихся режимах "включено-выключено": увеличены изоляционные промежутки, усилена конструкция корпуса для применения в условиях повышенных механических нагрузок. По заказам МПС, с учетом особенностей российских железных дорог, разрабатываются модули специального исполнения для эксплуатации при низких температурах (до -60°С) и с напряжением изоляции до 13 кВ.
Выпускаются силовые модули для энергосберегающих приводов: преобразователи частоты и устройства плавного пуска для низковольтных асинхронных электроприводов мощностью от 1,5 до 400 кВт, напряжением 0,4 кВ и высоковольтных асинхронных и синхронных электроприводов мощностью от 500 до 20000 кВт, напряжением 6; 10; 15; 75 кВ.
Разработаны серии таблеточных IGBT-модулей на токи до 1400 А и напряжение до 5200 В, предназначенных для энергетики, городского, пригородного и железнодорожного электротранспорта, большегрузных карьерных самосвалов и т.п.
Разработана также серия запираемых тиристоров на токи 630–2000 А и напряжение до 5000 В. Осваивается и производство четвертого поколения запираемых тиристоров GCT и IGCT на токи до 4000 А и напряжение до 6000 В.
Расширяется номенклатура и совершенствуются стандартные полупроводниковые приборы силовой электроники —
диоды, тиристоры, динисторы, триаки. Освоен выпуск серии выпрямительных диодов (в том числе лавинных и быстровосстанавливающихся), тиристоров (низкочастотных и быстродействующих), триаков малой и средней мощности на токи 10–80 А и напряжение до 1600 В в герметичных металлостеклянных корпусах. В этих же корпусах поставляются оптронные тиристоры на токи 25–80 А и напряжение до 1200 В.
Ряд диодно-тиристорных модулей насчитывает около 80 типов, выполненных по схемам одиночных ключей и полумостов. Подготовлено производство серии диодно-тиристорных модулей по схемам одно- и трехфазных мостов. Диапазон токов таких модулей 40–250 А, напряжение — до 1600 В.
Продолжается совершенствование диодов и тиристоров таблеточной конструкции. Так, выпущена серия быстродействующих частотно-импульсных тиристоров (ТБИ) на токи 100–1600 А и напряжение до 2000 В, время выключения 50–10 мкс. Благодаря специальной топологии катодного эмиттера тиристоры имеют малое время полного включения и низкие потери энергии при работе с большими скоростями нарастания тока нагрузки. В сочетании с малыми значениями времени задержки включения, нарастания тока и времени выключения это позволяет эффективно применять тиристоры на частотах до 10 кГц, а в некоторых случаях — до 20 кГц и выше (в многофазных последовательных резонансных инверторах напряжения на частотах до 50 кГц). Области применения этих тиристоров — мощные электроприводы для промышленности и транспорта, установки индукционного нагрева, электросварки, источники бесперебойного питания и др. Тиристоры серии ТБИ выпускаются также и в модульном исполнении.
Модули диодные и тиристорные разработки ОАО "Электровыпрямитель" (быстродействующие, быстродействующие частотно-импульсные, низкочастотные) применяются для управления электродвигателями постоянного тока; мягкого пуска электродвигателей переменного тока; контроля температуры (например, для печей, химических процессов); источников бесперебойного питания; электросварки.
На выставке "ЭкспоЭлектроника—2004" впервые широкой аудитории была представлена неизвестная фирма "Электрум АВ" (Орел), что вызвало огромный интерес посетителей. И это неудивительно. Специалисты фирмы создали в нашей стране направление современных оптоэлектронных коммутаторов большой мощности (так называемые твердотельные реле) и к настоящему времени разработали и освоили более 500 типов новых приборов силовой электроники, причем многие из них уникальны по своим техническим характеристикам даже по сравнению с лучшими зарубежными приборами. ООО "Электрум АВ" выпускает всю гамму силовых модулей на основе тиристоров, диодов, IGBT и полевых транзисторов. Для примера можно выделить следующие интегральные силовые модули и драйверы.
Интеллектуальный 7-ключевой IGBT-модуль (инвертор с тормозным транзистором), выполненный на основе современных 1200 В–75 А кристаллов с предельно малыми потерями и широкой областью безопасной работы. Модуль имеет встроенные драйверы для управления и защиты транзисторов, датчик напряжения в плюсовой шине с гальванической развязкой, который передает в контроллер сигнал уровня 0–5 В, пропорциональный напряжению в силовой шине, датчик тока в минусовой шине, а также датчик температуры модуля. На основе такого модуля можно создать законченный преобразователь частоты до 10 кВт.
Серия одно- и трехфазных выпрямительных модулей на токи до 250 А, (неуправляемых, частично-управляемых и полностью управляемых, в том числе и с оптронными развязками по входам управления), выполненных на тиристорных и диодных структурах с предельно допустимым напряжением до 1200 В.
Твердотельные реле переменного тока до 250 А (однофазные) и до 120 А (трехфазные).
Твердотельные контроллеры цепей питания и нагрузок обеспечивают защиту нагрузки от аварийных ситуаций и формируют сигналы текущего состояния нагрузки.
Серия драйверов для управления одиночными и полумостовыми высоковольтными IGBT/MOSFET-модулями высокой мощности (до 4500 В и 2000 А) со встроенными DC/DC-преобразователями и защитой.
Драйвер для управления мощными тиристорами с гальванической развязкой цепи управления (напряжение изоляции до 10 кВ) и формированием короткого форсажного импульса (10 А/мкс), необходимого для надежного включения тиристора с током до 6000 А.
Серия модульных малогабаритных приводов асинхронных, вентильных, коллекторных, шаговых двигателей мощностью до 10 кВт, при этом модуль управления двигателем до 1 кВт имеет габариты около 1/2 размера сигаретной пачки.
Все перечисленные силовые модули по своим техническим параметрам, качеству и надежности соответствуют лучшим зарубежным образцам. Эти показатели позволяют использовать предложенные изделия в жестких условиях, что вызывает большой интерес к ним у МО РФ и предприятиях ВПК.
На предприятии внедрена единая система обеспечения качества для промышленных приборов и приборов военного назначения. Качество контролируется на каждой технологической операции. Таким образом, специалисты "Электрум АВ" могут предоставить отечественным производителям и разработчикам силовой электроники полупроводниковые элементы высочайшего качества по низким ценам, с параметрами, которые соответствуют или превосходят лучшие зарубежные образцы.
ОАО "ОКБ "Искра" (Ульяновск) выпускает широкий ассортимент устройств силовой электроники: мощные высоковольтные переключательные транзисторы, мощные биполярные транзисторы, высоковольтные МОП-транзисторы, мощные переключающие МОП-транзисторы, мощные IGBT-модули, которые предназначены для преобразователей частоты в системах энергоснабжения, импульсных модуляторах, во вторичных источниках питания.
Недавно в ОАО "ОКБ "Искра" совместно с ОАО "Ангстрем" (Зеленоград) разработан мощный высоковольтный ДМОП-транзистор с поликремниевым затвором (серия 2П(КП)715). Транзистор характеризуется максимальным напряжением "сток-исток" 600–1200 В, током стока 50–75 А, сопротивлением
в открытом состоянии 0,08–0,3 Ом и низкими потерями при переключении. Конструкция и технология изготовления кристалла транзистора обеспечивают низкие значения входной, выходной и проходной емкостей, малый заряд затвора, короткий канал, стабильность порогового напряжения транзистора и высокую удельную проводимость на единицу площади.
Высокий уровень технологии позволил минимизировать заряд в окисле и на границе раздела окисел-полупроводник, а также предотвратить дрейф подвижных зарядов в сильном статическом поле при высоком напряжении "сток-исток", что обеспечивает высокую надежность прибора. Кристаллы транзистора монтируются в специально спроектированный металлокерамический корпус с безындуктивными выводами. Такой монтаж позволяет улучшить динамические параметры прибора при его работе в ВЧ-преобразователях. Корпус имеет высокую теплопроводность благодаря применению в качестве изолятора оксида бериллия (ВеО), характеризуется высокой энергоциклостойкостыо вследствие отсутствия "мягких" припоев, а также имеет широкий диапазон рабочих температур (от -60 до 150°С). Прибор универсален с точки зрения частотных свойств и применим как в широкополосных СВЧ-схемах, так и в ВЧ-преобразователях, в частности в резонансных режимах на частотах 200 кГц и выше.
Результаты испытаний транзисторов 2П(КП)7154 показывают, что их работоспособность будет высокой даже в экстремальных условиях (при высоких перепадах температуры, в космосе, в условиях высокого электромагнитного воздействия). В настоящее время начат серийный выпуск данных приборов для спецтехники. Основные режимы эксплуатации транзисторов приведены в табл. 3.
В табл. 4 приведены российские фирмы-производители приборов и модулей силовой электроники и перечислена продукция, которую они выпускают.
Дальнейшее развитие дискретных приборов и модулей силовой электроники
Параметры кремниевых приборов силовой электроники (коммутируемое напряжение, токи и частота коммутации) за последние 50 лет почти достигли теоретических пределов. Дальнейшее их улучшение связано с совершенствованием и внедрением новых технологий с целью увеличения быстродействия, уменьшения прямого падения напряжения, улучшения стойкости к перегрузкам и аварийным режимам, повышения
диапазона коммутируемых токов и напряжений, снижения стоимости, повышения надежности, прочности, улучшения охлаждения за счет применения новых технологий корпусирования (press-pack technology, MMC, жидкостное охлаждение).
В последние годы ведутся широкие исследования новых материалов для приборов силовой электроники – арсенида галлия, карбида кремния, III-нитридов. Очень перспективен карбид кремния. Пробивная напряженность электрического поля SiC более чем на порядок превышает соответствующие показатели у Si и GaAs. Это приводит к значительному снижению сопротивления в открытом состоянии (Ron). Малое удельное сопротивление в открытом состоянии в сочетании с высокой плотностью тока и теплопроводностью позволяет использовать очень маленькие по размерам кристаллы для силовых приборов.
Большая ширина запрещенной энергетической зоны SiC является результатом более высокого по сравнению с Si и GaAs барьера Шоттки. В результате чрезвычайно малый ток утечки при повышенной температуре кристалла (менее 70 мкА при 200°С) снижает термоэлектронную эмиссию за пределами барьера.
Высокая теплопроводность SiC уменьшает тепловое сопротивление кристалла по сравнению с Si-диодами почти в два раза. Электронные свойства приборов на основе SiC
высокостабильны во времени и слабо зависят от температуры, что обеспечивает высокую надежность изделий.
Карбид кремния устойчив к жесткой радиации, поэтому ее воздействие не приводит к деградации электронных свойств кристалла. Высокая рабочая температура кристалла (более 600°С) позволяет создавать высоконадежные приборы для жестких условий эксплуатации и специальных применений.
В ближайшие годы можно ожидать разработку и освоение приборов силовой электроники на базе SiC следующих типов:
* быстродействующих диодов (Шоттки) с блокирующим напряжением 4,9 кВ;
* MOSFET с коммутируемыми напряжениями более 1000 В и сопротивлением в открытом состоянии, на три порядка меньшим по сравнению с MOSFET на базе Si;
* JFET (полевой транзистор, управляемый pn-переходом) с блокирующими напряжениями 3,5 кВ, с удельным сопротивлением в открытом состоянии 25 мОм·см2 (как у модуля CoolMOS на 600 В), что соответствует плотностям коммутируемых токов 100 А/см2 и прямым падениям напряжения около 2,5 В (для приборов на 3300 В);
* каскодных SiC – Si приборов;
* высоковольтных быстродействующих биполярных силовых приборов (диодов, транзисторов, тиристоров) с коммутируемыми напряжениями более 10 кВ (19 кВ) и частотами коммутации несколько килогерц.
Несмотря на то, что отечественная электронная промышленность традиционно ориентирована на рынок компонентов для промышленного и военного применения (а приборы на SiC представляют для этих применений большой интерес), серийных отечественных технологий в области SiC-полупроводников в ближайшие годы не появится из-за недостаточного финансирования. Но исследования и разработки приборов на новых материалах, тем не менее, проводятся. Например, в НПП "Томилинский электронный завод" (НПП "ТЭЗ") начато производство диодов Шоттки и высоковольтных выпрямительных столбов на карбиде кремния. В качестве исходного материала использовались пластины и структуры фирмы "Сree". Проведенные испытания по программе "Климат-7" подтвердили чрезвычайную радиационную стойкость приборов: поглощенная доза 50 000 крад не привела к изменению характеристик приборов. Параметры диодов на SiC, разработанных в НПП "ТЭЗ": постоянное обратное напряжение 300–500 В, время восстановления обратного сопротивления 35 нс.
Последние достижения в полупроводниковой (MOSFET, IGBT, мощные высоковольтные диоды Шоттки) и микроэлектронной (чипы высокой степени интеграции, SMD-компоненты и т.д.) технологиях, успехи в компьютерной технологии (микроконтроллеры, цифровые сигнальные процессоры или микроконтроллеры, флэш-память большого объема), а также в области полимеров, планарных моточных изделий, "микропечатных" плат дает мощный импульс развитию интеллектуальных силовых модулей. Можно выделить два направления.
Первое связано с интеграцией в одном корпусе нескольких MOSFET (или чаще IGBT) для образования более сложных силовых структур. В дальнейшем предполагается объединить в одном модуле силовые компоненты различного вида. Уже сегодня в некоторых работах предложено комплексирование MOSFET и IGBT в одном корпусе по схеме параллельного соединения.
Второе направление совершенствования интегральных силовых модулей – встраивание (интеграция) в силовые ключи или их конфигурацию (полумосты, мосты) управляющих драйверов или/и ШИМ-контроллеров и т. п. Следует ожидать, что в силовую часть модулей большой и очень большой мощности будет дополнительно встроен ряд датчиков для диагностики работоспособности. Возможны и другие варианты совершенствования собственно силовой части IPS и IPM.
Можно сказать, что переход в интеллектуальных силовых модулях от аналогового на цифровое управление приведет к широкому использованию драйверов и контроллеров. Широкое применение при встраивании получат микроконтроллеры с развитой инфраструктурой (обрамлением) и большим объемом памяти. Это позволит реализовать функции, которые сейчас выполняются в простейшем виде или вообще отсутствуют.
Расширится также и сфера применения интеллектуальных силовых компонентов. Они станут привычными электронными
компонентами для разработчика, такими как дискретные MOSFET, IGBT, драйверы, ШИМ, ЧИМ и KKM/PFC-контроллеры. Не исключено, что для организации автоматизированных систем (как показано на примере Smart motor) потребуются только персональный компьютер (компьютерный комплекс), каналы связи (в том числе беспроводные), источник(и) электропитания (при необходимости) и программное обеспечение. Возможно, что в IPM (SuperlPM) будут встроены модули Ethernet (как в промышленных компьютерах). В качестве примеров можно назвать следующие перспективные сферы применения интеллектуальных силовых компонентов: источники вторичного электропитания — низковольтные и высоковольтные; электроприводы различного назначения со встраиванием IPM (SIPM) и силовых драйверов непосредственно в корпуса электродвигателей; интеллектуальные исполнительные механизмы и устройства (электромагнитные, пневмо-и гидроклапаны, заслонки, вибропитатели и пр.) со встроенными интеллектуальными силовыми компонентами; автомобильная электроника; бытовые электроприборы и установки; робототехнические системы и устройства.
В заключение можно сказать, что именно интеллектуальная силовая электроника – настоящее и перспективное направление hi-tech, о котором много говорят и пишут в специализированных изданиях и у которого большое будущее.
Литература
Флоренцев С.Н. Современное состояние и перспективы развития приборов силовой электроники. – Электронная промышленность, 2002, № 4, с. 34.
Флоренцев С.Н. Силовые IGBT-модули – основа современного преобразовательного оборудования. – Электронные компоненты, 2002, № 6, с. 11.
Чибиркин В. ОАО "Электровыпрямитель" – поставщик элементной базы силовой электроники. – Электронные компоненты, 2002, № 6, с. 71.
Ланцов В., Эраносян С. Интеллектуальная силовая электроника. – Силовая электроника, 2006, № 1, с. 4.
Пастухов В. Современные российские силовые модули. – Современная электроника, 2006, № 8, с. 22.
Бандура Г., Пастухов В. Российские IGBT-модули производства ОАО "Контур". – Силовая электроника, 2007, № 1, с. 28.
Полищук А. Полупроводниковые материалы и приборы для жестких условий эксплуатации. Современная электроника, 2006, № 4, с. 20.
Волошин С. Новое имя в силовой электронике России. – Электронные компоненты, 2004, № 6, с. 59.
Адонин А.С., Добровицкий А.И. Карбидкремниевые диоды Шоттки и высоковольтные выпрямительные столбы для силовой и высокочастотной электроники. – Электроника и электрооборудование транспорта, 2006, № 3-4, с. 40.
10. Алферов А и др. Новые высоковольтные транзисторы. – Силовая электроника, 2007, № 1, с. 8.
Основными приборами силовой электроники в области коммутируемых токов до 50 А являются:
* диоды (Diodes);
* тиристоры (Thyristors, SCR);
* биполярные транзисторы (BPT);
* биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT);
* полевые транзисторы с изолированным затвором (MOSFET);
* силовые интегральные схемы (Power IC);
* интеллектуальные силовые интегральные схемы (Smart Power IC).
* Основные приборы силовой электроники в области коммутируемых токов более 50 А:
* силовые модули на базе биполярных транзисторов;
* силовые модули на базе IGBT;
* тиристоры;
* запираемые тиристоры (GTO, IGCT);
* диоды.
Самыми распространенными приборами в диапазоне до 50 А являются полевые транзисторы с изолированным затвором –
MOSFET. Эти приборы обладают малыми статическими и динамическими потерями, незначительными затратами на управление, крайне небольшими временами переключения и работают на частотах до 1 МГц. Это позволило практически полностью вытеснить из низковольтных преобразовательных устройств (< 200 В) все остальные типы силовых полупроводниковых приборов. Совершенствование технологии изготовления MOSFET расширило область применения приборов этого класса в диапазоне коммутируемых напряжений 600–1000 В и при мощностях до 10 кВт MOSFET заменили силовые биполярные транзисторы.
В области средних напряжений (500–600 В и выше) предпочтительны биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT – Insulated Gate Bipolar Transistors).
В настоящее время IGBT обеспечивают коммутацию токов до 3600 А и напряжений до 6,5 кВ. При этом времена переключения биполярных транзисторов с изолированным затвором лежат в диапазоне 200–400 нс.
МОП-управляемые приборы стимулировали развитие силовых модулей, в которых ключевые, а в некоторых случаях и информационные элементы, соединяются методами пленочной технологии на общей теплопроводящей изолирующей подложке, образуя всю или часть силовой схемы преобразовательного устройства.
Силовые модули разделяются на обычные (стандартные) IGBT-модули и интеллектуальные. Стандартные модули выпускаются в одно-, двух-, четырех- и шестиключевом исполнении с обратными быстровосстанавливающимися диодами (FRD — Fast Recovery Diodes) или без них. Интеллектуальные силовые модули (IPM –
Intelligent Power Modules) кроме силовой части схемы преобразователя (мостового одно- или трехфазного выпрямителя, мостового инвертора) содержат в едином корпусе также датчики, схемы драйверов, защиты, диагностики, источников питания и т.п. Стандартные IGBT-модули можно условно разбить на два типа: паяной конструкции с изолированным основанием и прижимной (Press-Pack).
Состояние отечественных разработок и производств
Рынок силовых модулей в России на 95% заполнен продукцией импортного производства. Однако при этом существуют российские аналоги зарубежных силовых модулей. Они, как правило, дешевле и применяются там, где запрещено использование импортной продукции (например, электроника для ВПК).
К сожалению, российские производители силовых модулей пока не приобрели широкой известности. Тем не менее, они успешно работают на рынке, постепенно завоевывая популярность у российских разработчиков. Примером может служить компания ОАО "Контур" (Чебоксары), работающая на рынке с 1998 года. Она выпускает широкий спектр современной элементной базы для производителей преобразовательной, приводной и бытовой техники, а также для ВПК. Предприятие наладило серийный выпуск более 50 наименований IGBT-модулей (на напряжения 600–1700 В и токи до 400 А) и MOSFET-модулей (на напряжения 100–800 В и токи 30–500 А). В 2006 году на предприятии в строй было введено полностью автоматизированное технологическое оборудование, которое позволяет исключить человеческий фактор из процесса производства и обеспечить 100%-ный выходной параметрический контроль изделий. Модули производятся на базе импортных кристаллов, что позволяет получить качество импортных модулей по цене российских. Компания гарантирует техническое обслуживание поставляемых модулей после продажи. Самая широкая и популярная серия модулей ОАО "Контур" — IGBT-модули.
Сегодня эти устройства занимают самый большой сегмент рынка силовых транзисторов. Основу IGBT-модулей составляют IGBT-транзисторы. От других транзисторов их отличает малая величина остаточного напряжения (не более 2,5 В), устойчивость к большим импульсным токам, малые емкости и заряды затворов, большие допустимые энергии переключения, расширенный диапазон области безопасной работы, высокие частоты переключения (до 25 кГц). Поэтому модули на их основе демонстрируют высокую надежность, высокое быстродействие и удобство в эксплуатации. Структуру приборов составляют одиночный ключ, чоппер, полумост, инвертор. Все приборы имеют встроенный инверсный быстровосстанавливающийся MPS-диод с "мягкими" характеристиками обратного восстановления. Корпус модуля включает изолированное медное основание, изоляция осуществляется керамикой Аl203. Модули имеют номинальное напряжение в диапазоне 600–1700 В, падение напряжения не более 1,7–2,0 В и токи до 400 А. Однако широкому их распространению мешает высокая стоимость.
Технические характеристики модулей представлены в табл.1. В последнем столбце приведен аналог – модуль, выпускаемый ОАО "Электровыпрямитель" (Саранск).
Для управления силовыми модулями рекомендуется применять драйверы на основе гибридных интегральных схем серии МД производства ОАО "Контур" – МД215П, МД250П, МД280П. Каждая такая ИС содержит два канала управления транзисторами с предельно допустимым напряжением до 1700 В и обеспечивает защиту от перегрузок, короткого замыкания в нагрузке, недостаточного уровня напряжения на затворе транзистора.
ОАО "Электровыпрямитель" — один из крупнейших российских производителей полупроводниковых приборов силовой электроники и преобразовательной техники – имеет почти пятидесятилетний опыт работы в этой области.
На предприятии освоен выпуск серии IGBT-модулей на токи 25–2400 А и напряжение до 3300 В (табл. 2). Производится свыше 60 типов силовых IGBT-модулей в семи базовых конструкциях, соответствующих международным стандартам. Схемные исполнения модулей — одиночные ключи, чопперы и полумосты. В модулях предусмотрены защитные диоды обратного тока с "мягкими" характеристиками восстановления.
Предприятие производит также IGBT-модули для транспорта. Конструкция этих модулей адаптирована для работы приборов в многократно повторяющихся режимах "включено-выключено": увеличены изоляционные промежутки, усилена конструкция корпуса для применения в условиях повышенных механических нагрузок. По заказам МПС, с учетом особенностей российских железных дорог, разрабатываются модули специального исполнения для эксплуатации при низких температурах (до -60°С) и с напряжением изоляции до 13 кВ.
Выпускаются силовые модули для энергосберегающих приводов: преобразователи частоты и устройства плавного пуска для низковольтных асинхронных электроприводов мощностью от 1,5 до 400 кВт, напряжением 0,4 кВ и высоковольтных асинхронных и синхронных электроприводов мощностью от 500 до 20000 кВт, напряжением 6; 10; 15; 75 кВ.
Разработаны серии таблеточных IGBT-модулей на токи до 1400 А и напряжение до 5200 В, предназначенных для энергетики, городского, пригородного и железнодорожного электротранспорта, большегрузных карьерных самосвалов и т.п.
Разработана также серия запираемых тиристоров на токи 630–2000 А и напряжение до 5000 В. Осваивается и производство четвертого поколения запираемых тиристоров GCT и IGCT на токи до 4000 А и напряжение до 6000 В.
Расширяется номенклатура и совершенствуются стандартные полупроводниковые приборы силовой электроники —
диоды, тиристоры, динисторы, триаки. Освоен выпуск серии выпрямительных диодов (в том числе лавинных и быстровосстанавливающихся), тиристоров (низкочастотных и быстродействующих), триаков малой и средней мощности на токи 10–80 А и напряжение до 1600 В в герметичных металлостеклянных корпусах. В этих же корпусах поставляются оптронные тиристоры на токи 25–80 А и напряжение до 1200 В.
Ряд диодно-тиристорных модулей насчитывает около 80 типов, выполненных по схемам одиночных ключей и полумостов. Подготовлено производство серии диодно-тиристорных модулей по схемам одно- и трехфазных мостов. Диапазон токов таких модулей 40–250 А, напряжение — до 1600 В.
Продолжается совершенствование диодов и тиристоров таблеточной конструкции. Так, выпущена серия быстродействующих частотно-импульсных тиристоров (ТБИ) на токи 100–1600 А и напряжение до 2000 В, время выключения 50–10 мкс. Благодаря специальной топологии катодного эмиттера тиристоры имеют малое время полного включения и низкие потери энергии при работе с большими скоростями нарастания тока нагрузки. В сочетании с малыми значениями времени задержки включения, нарастания тока и времени выключения это позволяет эффективно применять тиристоры на частотах до 10 кГц, а в некоторых случаях — до 20 кГц и выше (в многофазных последовательных резонансных инверторах напряжения на частотах до 50 кГц). Области применения этих тиристоров — мощные электроприводы для промышленности и транспорта, установки индукционного нагрева, электросварки, источники бесперебойного питания и др. Тиристоры серии ТБИ выпускаются также и в модульном исполнении.
Модули диодные и тиристорные разработки ОАО "Электровыпрямитель" (быстродействующие, быстродействующие частотно-импульсные, низкочастотные) применяются для управления электродвигателями постоянного тока; мягкого пуска электродвигателей переменного тока; контроля температуры (например, для печей, химических процессов); источников бесперебойного питания; электросварки.
На выставке "ЭкспоЭлектроника—2004" впервые широкой аудитории была представлена неизвестная фирма "Электрум АВ" (Орел), что вызвало огромный интерес посетителей. И это неудивительно. Специалисты фирмы создали в нашей стране направление современных оптоэлектронных коммутаторов большой мощности (так называемые твердотельные реле) и к настоящему времени разработали и освоили более 500 типов новых приборов силовой электроники, причем многие из них уникальны по своим техническим характеристикам даже по сравнению с лучшими зарубежными приборами. ООО "Электрум АВ" выпускает всю гамму силовых модулей на основе тиристоров, диодов, IGBT и полевых транзисторов. Для примера можно выделить следующие интегральные силовые модули и драйверы.
Интеллектуальный 7-ключевой IGBT-модуль (инвертор с тормозным транзистором), выполненный на основе современных 1200 В–75 А кристаллов с предельно малыми потерями и широкой областью безопасной работы. Модуль имеет встроенные драйверы для управления и защиты транзисторов, датчик напряжения в плюсовой шине с гальванической развязкой, который передает в контроллер сигнал уровня 0–5 В, пропорциональный напряжению в силовой шине, датчик тока в минусовой шине, а также датчик температуры модуля. На основе такого модуля можно создать законченный преобразователь частоты до 10 кВт.
Серия одно- и трехфазных выпрямительных модулей на токи до 250 А, (неуправляемых, частично-управляемых и полностью управляемых, в том числе и с оптронными развязками по входам управления), выполненных на тиристорных и диодных структурах с предельно допустимым напряжением до 1200 В.
Твердотельные реле переменного тока до 250 А (однофазные) и до 120 А (трехфазные).
Твердотельные контроллеры цепей питания и нагрузок обеспечивают защиту нагрузки от аварийных ситуаций и формируют сигналы текущего состояния нагрузки.
Серия драйверов для управления одиночными и полумостовыми высоковольтными IGBT/MOSFET-модулями высокой мощности (до 4500 В и 2000 А) со встроенными DC/DC-преобразователями и защитой.
Драйвер для управления мощными тиристорами с гальванической развязкой цепи управления (напряжение изоляции до 10 кВ) и формированием короткого форсажного импульса (10 А/мкс), необходимого для надежного включения тиристора с током до 6000 А.
Серия модульных малогабаритных приводов асинхронных, вентильных, коллекторных, шаговых двигателей мощностью до 10 кВт, при этом модуль управления двигателем до 1 кВт имеет габариты около 1/2 размера сигаретной пачки.
Все перечисленные силовые модули по своим техническим параметрам, качеству и надежности соответствуют лучшим зарубежным образцам. Эти показатели позволяют использовать предложенные изделия в жестких условиях, что вызывает большой интерес к ним у МО РФ и предприятиях ВПК.
На предприятии внедрена единая система обеспечения качества для промышленных приборов и приборов военного назначения. Качество контролируется на каждой технологической операции. Таким образом, специалисты "Электрум АВ" могут предоставить отечественным производителям и разработчикам силовой электроники полупроводниковые элементы высочайшего качества по низким ценам, с параметрами, которые соответствуют или превосходят лучшие зарубежные образцы.
ОАО "ОКБ "Искра" (Ульяновск) выпускает широкий ассортимент устройств силовой электроники: мощные высоковольтные переключательные транзисторы, мощные биполярные транзисторы, высоковольтные МОП-транзисторы, мощные переключающие МОП-транзисторы, мощные IGBT-модули, которые предназначены для преобразователей частоты в системах энергоснабжения, импульсных модуляторах, во вторичных источниках питания.
Недавно в ОАО "ОКБ "Искра" совместно с ОАО "Ангстрем" (Зеленоград) разработан мощный высоковольтный ДМОП-транзистор с поликремниевым затвором (серия 2П(КП)715). Транзистор характеризуется максимальным напряжением "сток-исток" 600–1200 В, током стока 50–75 А, сопротивлением
в открытом состоянии 0,08–0,3 Ом и низкими потерями при переключении. Конструкция и технология изготовления кристалла транзистора обеспечивают низкие значения входной, выходной и проходной емкостей, малый заряд затвора, короткий канал, стабильность порогового напряжения транзистора и высокую удельную проводимость на единицу площади.
Высокий уровень технологии позволил минимизировать заряд в окисле и на границе раздела окисел-полупроводник, а также предотвратить дрейф подвижных зарядов в сильном статическом поле при высоком напряжении "сток-исток", что обеспечивает высокую надежность прибора. Кристаллы транзистора монтируются в специально спроектированный металлокерамический корпус с безындуктивными выводами. Такой монтаж позволяет улучшить динамические параметры прибора при его работе в ВЧ-преобразователях. Корпус имеет высокую теплопроводность благодаря применению в качестве изолятора оксида бериллия (ВеО), характеризуется высокой энергоциклостойкостыо вследствие отсутствия "мягких" припоев, а также имеет широкий диапазон рабочих температур (от -60 до 150°С). Прибор универсален с точки зрения частотных свойств и применим как в широкополосных СВЧ-схемах, так и в ВЧ-преобразователях, в частности в резонансных режимах на частотах 200 кГц и выше.
Результаты испытаний транзисторов 2П(КП)7154 показывают, что их работоспособность будет высокой даже в экстремальных условиях (при высоких перепадах температуры, в космосе, в условиях высокого электромагнитного воздействия). В настоящее время начат серийный выпуск данных приборов для спецтехники. Основные режимы эксплуатации транзисторов приведены в табл. 3.
В табл. 4 приведены российские фирмы-производители приборов и модулей силовой электроники и перечислена продукция, которую они выпускают.
Дальнейшее развитие дискретных приборов и модулей силовой электроники
Параметры кремниевых приборов силовой электроники (коммутируемое напряжение, токи и частота коммутации) за последние 50 лет почти достигли теоретических пределов. Дальнейшее их улучшение связано с совершенствованием и внедрением новых технологий с целью увеличения быстродействия, уменьшения прямого падения напряжения, улучшения стойкости к перегрузкам и аварийным режимам, повышения
диапазона коммутируемых токов и напряжений, снижения стоимости, повышения надежности, прочности, улучшения охлаждения за счет применения новых технологий корпусирования (press-pack technology, MMC, жидкостное охлаждение).
В последние годы ведутся широкие исследования новых материалов для приборов силовой электроники – арсенида галлия, карбида кремния, III-нитридов. Очень перспективен карбид кремния. Пробивная напряженность электрического поля SiC более чем на порядок превышает соответствующие показатели у Si и GaAs. Это приводит к значительному снижению сопротивления в открытом состоянии (Ron). Малое удельное сопротивление в открытом состоянии в сочетании с высокой плотностью тока и теплопроводностью позволяет использовать очень маленькие по размерам кристаллы для силовых приборов.
Большая ширина запрещенной энергетической зоны SiC является результатом более высокого по сравнению с Si и GaAs барьера Шоттки. В результате чрезвычайно малый ток утечки при повышенной температуре кристалла (менее 70 мкА при 200°С) снижает термоэлектронную эмиссию за пределами барьера.
Высокая теплопроводность SiC уменьшает тепловое сопротивление кристалла по сравнению с Si-диодами почти в два раза. Электронные свойства приборов на основе SiC
высокостабильны во времени и слабо зависят от температуры, что обеспечивает высокую надежность изделий.
Карбид кремния устойчив к жесткой радиации, поэтому ее воздействие не приводит к деградации электронных свойств кристалла. Высокая рабочая температура кристалла (более 600°С) позволяет создавать высоконадежные приборы для жестких условий эксплуатации и специальных применений.
В ближайшие годы можно ожидать разработку и освоение приборов силовой электроники на базе SiC следующих типов:
* быстродействующих диодов (Шоттки) с блокирующим напряжением 4,9 кВ;
* MOSFET с коммутируемыми напряжениями более 1000 В и сопротивлением в открытом состоянии, на три порядка меньшим по сравнению с MOSFET на базе Si;
* JFET (полевой транзистор, управляемый pn-переходом) с блокирующими напряжениями 3,5 кВ, с удельным сопротивлением в открытом состоянии 25 мОм·см2 (как у модуля CoolMOS на 600 В), что соответствует плотностям коммутируемых токов 100 А/см2 и прямым падениям напряжения около 2,5 В (для приборов на 3300 В);
* каскодных SiC – Si приборов;
* высоковольтных быстродействующих биполярных силовых приборов (диодов, транзисторов, тиристоров) с коммутируемыми напряжениями более 10 кВ (19 кВ) и частотами коммутации несколько килогерц.
Несмотря на то, что отечественная электронная промышленность традиционно ориентирована на рынок компонентов для промышленного и военного применения (а приборы на SiC представляют для этих применений большой интерес), серийных отечественных технологий в области SiC-полупроводников в ближайшие годы не появится из-за недостаточного финансирования. Но исследования и разработки приборов на новых материалах, тем не менее, проводятся. Например, в НПП "Томилинский электронный завод" (НПП "ТЭЗ") начато производство диодов Шоттки и высоковольтных выпрямительных столбов на карбиде кремния. В качестве исходного материала использовались пластины и структуры фирмы "Сree". Проведенные испытания по программе "Климат-7" подтвердили чрезвычайную радиационную стойкость приборов: поглощенная доза 50 000 крад не привела к изменению характеристик приборов. Параметры диодов на SiC, разработанных в НПП "ТЭЗ": постоянное обратное напряжение 300–500 В, время восстановления обратного сопротивления 35 нс.
Последние достижения в полупроводниковой (MOSFET, IGBT, мощные высоковольтные диоды Шоттки) и микроэлектронной (чипы высокой степени интеграции, SMD-компоненты и т.д.) технологиях, успехи в компьютерной технологии (микроконтроллеры, цифровые сигнальные процессоры или микроконтроллеры, флэш-память большого объема), а также в области полимеров, планарных моточных изделий, "микропечатных" плат дает мощный импульс развитию интеллектуальных силовых модулей. Можно выделить два направления.
Первое связано с интеграцией в одном корпусе нескольких MOSFET (или чаще IGBT) для образования более сложных силовых структур. В дальнейшем предполагается объединить в одном модуле силовые компоненты различного вида. Уже сегодня в некоторых работах предложено комплексирование MOSFET и IGBT в одном корпусе по схеме параллельного соединения.
Второе направление совершенствования интегральных силовых модулей – встраивание (интеграция) в силовые ключи или их конфигурацию (полумосты, мосты) управляющих драйверов или/и ШИМ-контроллеров и т. п. Следует ожидать, что в силовую часть модулей большой и очень большой мощности будет дополнительно встроен ряд датчиков для диагностики работоспособности. Возможны и другие варианты совершенствования собственно силовой части IPS и IPM.
Можно сказать, что переход в интеллектуальных силовых модулях от аналогового на цифровое управление приведет к широкому использованию драйверов и контроллеров. Широкое применение при встраивании получат микроконтроллеры с развитой инфраструктурой (обрамлением) и большим объемом памяти. Это позволит реализовать функции, которые сейчас выполняются в простейшем виде или вообще отсутствуют.
Расширится также и сфера применения интеллектуальных силовых компонентов. Они станут привычными электронными
компонентами для разработчика, такими как дискретные MOSFET, IGBT, драйверы, ШИМ, ЧИМ и KKM/PFC-контроллеры. Не исключено, что для организации автоматизированных систем (как показано на примере Smart motor) потребуются только персональный компьютер (компьютерный комплекс), каналы связи (в том числе беспроводные), источник(и) электропитания (при необходимости) и программное обеспечение. Возможно, что в IPM (SuperlPM) будут встроены модули Ethernet (как в промышленных компьютерах). В качестве примеров можно назвать следующие перспективные сферы применения интеллектуальных силовых компонентов: источники вторичного электропитания — низковольтные и высоковольтные; электроприводы различного назначения со встраиванием IPM (SIPM) и силовых драйверов непосредственно в корпуса электродвигателей; интеллектуальные исполнительные механизмы и устройства (электромагнитные, пневмо-и гидроклапаны, заслонки, вибропитатели и пр.) со встроенными интеллектуальными силовыми компонентами; автомобильная электроника; бытовые электроприборы и установки; робототехнические системы и устройства.
В заключение можно сказать, что именно интеллектуальная силовая электроника – настоящее и перспективное направление hi-tech, о котором много говорят и пишут в специализированных изданиях и у которого большое будущее.
Литература
Флоренцев С.Н. Современное состояние и перспективы развития приборов силовой электроники. – Электронная промышленность, 2002, № 4, с. 34.
Флоренцев С.Н. Силовые IGBT-модули – основа современного преобразовательного оборудования. – Электронные компоненты, 2002, № 6, с. 11.
Чибиркин В. ОАО "Электровыпрямитель" – поставщик элементной базы силовой электроники. – Электронные компоненты, 2002, № 6, с. 71.
Ланцов В., Эраносян С. Интеллектуальная силовая электроника. – Силовая электроника, 2006, № 1, с. 4.
Пастухов В. Современные российские силовые модули. – Современная электроника, 2006, № 8, с. 22.
Бандура Г., Пастухов В. Российские IGBT-модули производства ОАО "Контур". – Силовая электроника, 2007, № 1, с. 28.
Полищук А. Полупроводниковые материалы и приборы для жестких условий эксплуатации. Современная электроника, 2006, № 4, с. 20.
Волошин С. Новое имя в силовой электронике России. – Электронные компоненты, 2004, № 6, с. 59.
Адонин А.С., Добровицкий А.И. Карбидкремниевые диоды Шоттки и высоковольтные выпрямительные столбы для силовой и высокочастотной электроники. – Электроника и электрооборудование транспорта, 2006, № 3-4, с. 40.
10. Алферов А и др. Новые высоковольтные транзисторы. – Силовая электроника, 2007, № 1, с. 8.
Отзывы читателей
