Конструкция внутренних соединений.
Для создания эффективного и высоконадежного модуля крайне важна хорошо спроектированная система внутренних соединений (рис. 2). В модуле SKiM соединения были разработаны с учетом следующих параметров:

- Беспаечные соединения с низкой индуктивностью между силовыми клеммами и микросхемами.
- Способность выдерживать высокие токи с минимальными потерями.
- Симметричные пути протекания тока, обеспечивающие хорошее распределение тока между параллельно расположенными микросхемами.
- Точки приложения давления, расположенные близко к микросхемам, для снижения теплового сопротивления.

Сэндвич-структура с параллельными путями протекания тока на каждой микросхеме обеспечивает очень низкую внутреннюю паразитную индуктивность. Индуктивность LCE между клеммами постоянного и переменного тока составляет менее 10 нГн, а общая индуктивность между DC+ и DC- составляет менее 20 нГн. 

Анализ методом конечных элементов показал, что большая часть индуктивности обусловлена ​​расстоянием между клеммами DC+ и DC-. На этапе проектирования были проведены FEM-моделирования, позволившие оптимизировать конструкцию и снизить индуктивность до 30% (-10 нГн). Дальнейшее улучшение невозможно, поскольку сэндвич-структура, генерирующая меньшую индуктивность, не может быть использована в данном случае из-за необходимости поддержания изоляции между клеммами DC+ и DC-. Единственный способ добиться еще большего снижения индуктивности — использовать параллельное соединение с шиной конденсаторов.

Преимуществом такой конструкции для пользователей является, помимо прочего, низкий уровень импульсных перенапряжений, что позволяет модулю работать при более высоких уровнях напряжения и плавно отключаться даже в случае короткого замыкания. Переключение без высоких импульсных перенапряжений обеспечивает низкие потери при переключении и низкий уровень электромагнитных помех.
Последние достижения в полупроводниковой технологии позволили увеличить плотность мощности во всем диапазоне корпусов. Номинальный ток микросхем в модулях SKiM 93 на 600 В составляет 900 А, что почти вдвое превышает номинальный ток стандартных модулей. Это значение тока также превышает предел, установленный из-за токовой нагрузки силовых клемм модулей IGBT. Материал, используемый в кристаллах модулей SKiM, обеспечивает модулю общее сопротивление rcc'-ee', включая контактное сопротивление, всего 300 мкВт, что вдвое меньше, чем у обычных модулей. С другой стороны, высокие контактные усилия гарантируют низкое контактное сопротивление. 

Кроме того, возникающие потери быстро передаются по поверхности DBC и на радиатор через многочисленные контактные точки.
При работе в режиме инвертора самые высокие токи проходят через клемму переменного тока. По этой причине эта клемма расположена в нижней части сэндвич-структуры, поскольку это место обеспечивает наилучшие условия охлаждения. Модуль рассчитан на эффективный выходной ток переменного тока 600 А при температуре радиатора 70 °C. Это значение превышает максимальный выходной ток, на который были рассчитаны микросхемы (см. Таблицу 1). Все это гарантирует, что даже при потерях мощности около 2000 Вт температура клемм остается ниже 125 °C (см. Рисунок 2).

Схема DCB:
Конструкция DCB и размещение микросхем имеют чрезвычайно важное значение для характеристик переключения и теплового сопротивления полупроводника. Асимметричная конструкция может легко привести к неоднородному распределению тока на 10% и более между различными микросхемами. В этом случае общий выходной ток ограничивается компонентом с наибольшими потерями. 

Колебания напряжения, вызванные паразитными индуктивностями, могут приводить к колебаниям напряжения между различными микросхемами, включенными параллельно, и вызывать их переключение с разной скоростью. Для обеспечения синхронного переключения индуктивности должны быть как можно меньше, и, что более важно, они должны оказывать одинаковое воздействие на все микросхемы. Конструкция, основанная на структуре с двумя IGBT-транзисторами слева и справа и диодом свободного хода в центре, гарантирует низкую индуктивность и хорошие характеристики переключения. Путь тока переключения между IGBT-транзистором и диодом должен быть как можно короче и иметь одинаковую длину как для верхней части переключателя (TOP), так и для нижней части ветви IGBT (см. рис. 3).
На рисунке 4 показано поведение переключения модуля SKiM 63 при 600 А и 900 В постоянного тока. Потери при переключении, импульсные перенапряжения и di/dt практически идентичны для верхнего и нижнего IGBT-транзисторов. Это происходит не во всех модулях, поскольку во многих случаях существуют различия, вызванные разными паразитными индуктивностями в пути тока.

Аналогично, для полного использования возможностей компонентов необходимо обеспечить хорошее распределение тока между параллельно расположенными микросхемами в модуле. Импеданс путей тока DC+ и DC- должен быть одинаковым для всех микросхем, а влияние тока на цепь запуска должно одинаково воздействовать на все микросхемы.
Первое условие выполняется за счет использования печатной платы сэндвич-типа. Магнитное поле остается практически неизменным при переключении тока с DC+ на DC-. Индуктивности силовых выводов связаны и, следовательно, пренебрежимо малы. Импеданс одинаков для всех параллельно расположенных микросхем.
Второе требование также было учтено при проектировании этого модуля. Все IGBT имеют одинаковое напряжение затвор-эмиттер, даже в динамических условиях. В конфигурации IGBT-диод-IGBT падения напряжения, вызванные di/dt, компенсируют друг друга, что означает, что все микросхемы одинаково подвержены падению напряжения на соединительных проводниках. В результате обеспечивается очень хорошее распределение тока, даже в условиях экстремального короткого замыкания.

Тепловое сопротивление (Rth):
Новое поколение микросхем с низким прямым падением напряжения и высокими температурами перехода (до 175 °C) позволяет использовать в этих модулях очень высокие номинальные токи. Плотность тока может даже превышать 2 А/мм². Выбирая соответствующий размер микросхемы, можно достичь оптимального баланса между номинальным током, требованиями к охлаждению и стоимостью.

Тепловое сопротивление (Rth) зависит от размера чипа, а также от расстояния между чипами (см. рис. 5). Крупные чипы демонстрируют большой температурный градиент по всей своей площади, что приводит к плохой теплопроводности внутри модуля. Размещение нескольких меньших чипов с той же эффективной площадью, но немного отстоящих друг от друга, позволяет улучшить Rth. Если это расстояние между чипами невелико, возникает эффект повторного нагрева между чипами. С другой стороны, если расстояние велико, тепловое сопротивление ниже. Семейство SKiM обеспечивает оптимальный компромисс между высочайшей тепловой эффективностью и максимальной эффективной площадью, поскольку имеет площадь от 60 до 80 мм² и расстояние между чипами 3 мм.
Контактные поверхности с обеих сторон чипов предотвращают деформацию керамического основания. Это помогает уменьшить требуемую толщину термопасты с 80-100 мкм в обычных модулях до 20-30 мкм в SKiM, улучшая тепловое сопротивление контакта между модулем и радиатором. Кроме того, превосходные теплопроводящие свойства тонкого спеченного слоя серебра, соединяющего чип с керамической подложкой, дополнительно улучшают теплопроводность модуля SKiM по сравнению с обычными модулями, где чип припаян к керамической подложке.

Надежность:
Традиционное решение с использованием силовых модулей с припаянным медным контактом непригодно для жестких температурных циклов, характерных для автомобильной промышленности. Различные коэффициенты теплового расширения используемых материалов создают механические напряжения в соединениях, что приводит к усталостному разрушению. Модуль с контактным соединением без медного контакта является альтернативой традиционным решениям. Кроме того, низкое тепловое сопротивление и равномерное распределение горячих точек уменьшают разницу температур между различными частями модуля, увеличивая срок его службы. 

Для повышения устойчивости к циклам нагрузки, даже при работе при высоких температурах, в семействе модулей SKiM используется технология низкотемпературного спекания для соединения микросхем с керамической подложкой (DCB). Если бы это соединение было выполнено методом пайки, как в других промышленных модулях, происходило бы старение, что привело бы к увеличению теплового сопротивления и, в конечном итоге, к выходу модуля из строя. Спекание достигается с помощью тонкого слоя серебра с высокой теплопроводностью. Температура плавления серебра составляет 900 °C, что значительно выше максимально допустимой температуры для микросхемы — 175 °C. В ходе испытаний, проведенных с использованием спеченных модулей, эффекта усталости не наблюдалось (см. рисунок 6). Устранение этого механизма отказа значительно повышает общую надежность системы. 

Благодаря использованию технологии контактного взаимодействия под давлением и пружиной, а также исключению медных контактов при пайке микросхем, модули SKiM полностью исключают пайку. Кроме того, новые микросхемы IGBT, используемые в модулях, выдерживают максимальную температуру до 175 °C, что позволяет создавать компактные преобразователи мощности, а также обеспечивает непревзойденную удельную мощность, надежность и устойчивость к термическим циклам.

Автор:

Доктор Арендт Винтрих, менеджер по применению продукции SEMIKRON

Более подробная информация или запрос цены