9/10/2012. Výkonové polovodičové součástky. Výkonové polovodičové součástky obsah prezentace. Výkonové polovodičové součástky přehled

Transkript

1 Výkonové polovodičové součástky Konstrukce polovodičových měničů Výkonové polovodičové součástky obsah prezentace Aplikační možnosti výkonových polovodičových součástek Dioda Tyristor IGBT a MOSFET Pouzdra provedení VPS Technologie kontaktování přípojných terminálů Integrované snímače proudu a teploty ve VPS Spolehlivost výkonových polovodičových součástek Výrobci výkonových polovodičů Výkonové polovodičové součástky přehled Dioda Tyristor SCR Silicon-controlled rectifier GTO Gate Turn Off IGCT Integrated Gate Commutated Thyristor MCT MOS Commutated Thyristor Tranzistory BJT Bipolar Junction Transistor IGBT Insulated Gate Bipolar Transistor MOSFET Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor 1

2 Aplikační možnosti výkonových polovodičových součástek - VPS Aplikační možnosti výkonových polovodičových součástek - VPS Oblast spínacích frekvencí VPS Aplikační oblasti a limity VSP DIODA vnitřní struktura 2

3 DIODA provedení pouzder DIODA statická charakteristika V RSM (U RSM ) neopakovatelné závěrné napětí V RRM (U RRM ) opakovatelné závěrné napětí V F (U F ) napětí v propustném směru V (TO) (U (TO) ) prahové napětí I FAV střední hodnota proudu v propustném směru I D proud v propustném směru I FSM nárazový záběrný proud I RD závěrný proud i 2 t Jouleův (tepelný) integrál R th(j-c) teplotní odpor přechod pouzdro (K/W) T vj ekvivalentní teplota přechodu ( C) M s utahovací moment k upevnění prvku na chladič DIODA dynamické vlastnosti Děj při vypínání diody 3

4 TYRISTOR TYRISTOR provedení pouzder TYRISTOR statická charakteristika V RSM (U RSM ) neopakovatelné závěrné napětí V RRM, V DRM (U RRM, U DRM ) opakovatelné závěrné napětí, opakovatelné napětí ve vypnutém stavu V T (U T ) napětí na tyristoru v sepnutém stavu V T(TO) (U T(TO) ) prahové napětí V GT (U GT ) spínací napětí V DG (U DG ) napětí na tyristoru v blokovacím stavu (dv/dt) cr kritická hodnota strmosti nárůstu napětí v propustném směru 4

5 TYRISTOR statická charakteristika I TAV střední hodnota proudu v propustném směru I D proud v propustném směru I RMS maximální efektivní hodnota propustného proudu I RD, I DD - závěrný proud I H vratný proud I L přídržný proud I GT minimální zapínací proud I GD proud nesepnutého tyristoru v blokovacím stavu i 2 t Jouleův (tepelný) integrál (di/dt) cr kritická hodnota strmosti nárůstu propustného proudu TYRISTOR statická charakteristika r T diferenciální odpor R th(j-c) teplotní odpor přechod pouzdro (K/W) T vj ekvivalentní teplota přechodu ( C) M t utahovací moment přípojného terminálu M s utahovací moment k upevnění prvku na chladič TYRISTOR řídicí charakteristika Oblast nízkých proudů VA charky Minimální řídicí napětí kdy jsou sepnuty všechny gate čáti tyristoru Minimální řídicí napětí kdy již nejsou sepnuty všechny části gate Maximální gate napětí Maximální okamžitý výkon řídicí elektrody -gate Oblast vysokých proudů VA charky Minimální proud gate požadovaný k sepnutí všech částí gate elektrody VA charakteristika řídicí (gate) elektrody 5

6 TYRISTOR řídicí charakteristika VA charakteristika řídicí (gate) elektrody pro 100A tyristor (převzato z datalistu SEMIKRON) TYRISTOR dynamické vlastnosti Blokovací napětí propustný proud unikající proud napěťový úbytek v propustném stavu čas započetí spínání zapínací čas BLOKOVACÍ STAV proudový překmit vypínací a zotavovací čas STAV SEPNUTÍ Dynamické chování tyristoru zpětný unikající proud závěrné napětí VYPNUTÝ ZÁVĚRNÝ STAV IGBT a MOSFET 6

7 IGBT a MOSFET buněk /mm 2, plocha IGBT/MOSFET čipů 0,1 1,5 cm 2 IGBT a MOSFET vývojové generace čipů IGBT a MOSFET IGBT a MOSFET provedení pouzder 7

8 IGBT, MOSFET statické charakteristiky IGBT, MOSFET hlavní katalogové parametry V CES (U CES ) napětí C E při zkratovaném přechodu G E V GES (U GES ) napětí G E, při zkratovaném C E V CE(sat) (U CE(sat) ) saturační napětí C E V GE(th) (U GE(th) ) prahové napětí G E I C kolektorový proud I Cnom jmenovitý kolektorový proud r CE diferenciální odpor I CRM opakovatelný špičkový kolektorový proud i 2 t Jouleův (tepelný) integrál t d(on) zpoždění při zapínání t d (off) zpoždění při vypínání t r doba nárůstu t f doba poklesu E on, E off energie vynaložená na zapnutí/vypnutí tranzistoru R th(j-c) teplotní odpor jádro - pouzdro Q G náboj řídicí elektrody V DSS V GDS V DS(sat) V GD(th) I D I Dnom r ds I DRM IGBT, MOSFET dynamické vlastnosti 8

9 POUZDRA - PROVEDENÍ VPS Požadavky na pouzdra (packaging) poskytují elektrické propojení mezi jedním nebo více polovodičovými čipy a obvodem během provozu odvod vytvořeného tepla z čipu do chladiče chrání polovodičový čip před škodlivými vlivy prostředí určují typ komponentu a pozici přípojných terminálů Provedení pouzder SMD pouzdra drátových součástek pouzdro se šroubem disková (kotoučová, pastilková) pouzdra bezpotenciálové moduly výkonové moduly IPM SMD pouzdra SMD Surface Mounted Device pouzdra válcového nebo hranolovitého tvaru pouzdra polovodičových prvků nejnižšího výkonu chlazení pouzdra prostřednictvím PCB Pouzdra drátových součástek vnitřní struktura obdobná s pouzdry SMD výkonová ztráta jednotky W přirozené chlazení sáláním montáž dále od DPS chladiče a chladicí profily u výkonnějších pouzder 9

10 Pouzdro se šroubovou montáží robustní měděný, povrchově cínovaný šroub s šestihrannou hlavou s připájeným polovodičovým čipem vysoká robustnost a mechanická odolnost velmi nízký tepelný přechodový odpor montáž přímo do chladiče nutné dodržet hodnotu utahovacího momentu čip uzavřen v inertním plynu pod skleněnou nebo keramickou čepičkou nevýhoda je, že chladič není elektricky izolován od součástky a je na něm elektrický potenciál (anoda) Diskové pouzdro nejvyšší výkony oboustranné odvádění tepla ze součástky stažení součástky mezi dva chladiče dle tlaku určeným výrobcem (10kN.cm -2 ) chladiče součástky mají elektrický potenciál chladicí kapalina musí být nevodivá transformátorový olej keramické tělo přítlačný kotouč polovodičový čip svařená příruba centrování molybden Bezpotenciálové moduly jednostranný odvod ztrátového výkonu přes izolační dobře tepelně vodivou keramickou destičku Izolace nad 3kV pro diody, tyristory IGBT, MOSFET a jejich sestavy moduly lze šroubovat na společný chladič, který může být spojen s kostrou značné zjednodušení kapalinového chlazení základová deska (Baseplate) je měděná, pro trakční aplikace slitina hliníku nebo molybden 10

11 Bezpotenciálové moduly vnitřní struktura 3x paralelní řazení IGBT a diodového čipu v zapojení tranzistorového půlmůstku -DC pól ~AC pól +DC pól IGBT dioda propojení mezi čipy teplotní senzor Bezpotenciálové moduly SEMIKRON family SEMIPACK 15A 1200A, diody, tyristory, měděná základová plocha, od roku 1975 SEMIPONT 1f a 3f usměrňovače, A, V Bezpotenciálové moduly SEMIKRON family SEMITOP 4 rozměrové řady, montáž na chladič pomocí jednoho šroubu, diody, tyristory IGBT, MOSFET, A, V 11

12 Bezpotenciálové moduly SEMIKRON family SEMiX měděná základová deska, moduly pro vysoké výkony, prioritně pro IGBT, A, 1200V, 1600V Bezpotenciálové moduly SEMIKRON family SEMiX Bezpotenciálové moduly SEMIKRON family SEMITRANS standardizovaná pouzdra s šířkách 34 a 61mm, A, 600 V, 1200 V, 1700 V 12

13 Bezpotenciálové moduly SEMIKRON family MiniSKiiP vyvedení výkonových a ovládacích kontaktů přes pružinové kontakty, A, 600 V a 1200 V přítlačná deska se šroubem deska plošného spoje DSP pouzdro kontaktní pružiny terminálů kontaktování čipu čip keramická základová deska chladič Bezpotenciálové moduly SEMIKRON family MiniSKiiP IPM výkonové moduly IPM Intelligent Power Module chladič + výkonové moduly + budicí obvody + kontrolní a měřicích obvody sestavy 2IGBT, 4IGBT, 6IGBT a 7IGBT chlazení vzduchové nebo kapalinové napěťové řady 600 V, 1200 V, 1700 V, max. proud 3600 A 13

14 IPM výkonové moduly SKiiP Semikron integrated intelligent Power chladič je nedělitelnou součástí IPM modulu 1200 V a 1700 V 100kW 1,5 MW snížení teplotního odporu R th(j-r) přímým připojením čipu, keramické základní desky a chladiče optimalizace budicích obvodů velmi kompaktní design s vysokou výkonovou hustotou nízké spínací přepětí docílené nízkoindukční strukturou IPM modulu IPM pro střední výkony SKiM (30 150kW) chladič již není součástí modulu IPM výkonové moduly SKiiP Semikron integrated intelligent Power rozhranní budiče budič hlavní AC terminály hlavní DC kontakt pomocné pružinové kontakty přítlačný element pružná pěna přítlačný kontakt sběrnice keramická základová destička s chladič IGBT a diodovými čipy IPM výkonové moduly SKiiP Semikron integrated intelligent Power 14

15 Materiály využívané při výrobě VPS Nosné materiály polovodičových čipů Pouzdra VPS s jednostranným a oboustranným odvodem tepla: Teplotní roztažnost vodivých materiálů je mnohem vyšší než roztažnost křemíku přímé připájení čipu na měděnou (niklovanou) základnu měkkou pájkou je možné do 70 mm 2. Velkoplošné polovodičové struktury do průměru 63 mm jsou pájeny jednostranně na molybdenovou podložku. Struktury s průměrem nad 75 mm bez pájených spojů Nosné materiály polovodičových čipů VPS bezpotenciálové moduly kontaktování polovodičového čipu na keramické destičky: Korundová keramika (AL 2 O 3 ) Nitridová keramika (AIN) vyšší tepelná vodivost oboustranně plátovaná keramická deska měděnou fólií o tloušťce 300 µm Technologie DCB - substrates (Direct Copper Bond), resp. DBC - substrates (Direct Bond Copper) - izolační napětí 15 kv/mm - nízká teplotní roztažnost 15

16 Technologie kontaktování přípojných terminálů Pájení - měkká pájka SnAg - nízký bod tavení, pájení v inertním plynu - nebezpečí prasknutí při pájení větších ploch Difuzní spékání - nanesení práškového Ag, zapékání při teplotách nad 962 C - lepší tepelná a elektrická vodivost - tenčí nanesená vrstva, vyšší teplotní mechanická stálost Technologie kontaktování přípojných terminálů Drátové propojení - svařování za studena pomocí ultrazvukové energie - kontaktování hliníkových drátů 0,1 0,5 mm na hliníkovou, měděnou nebo zlatou kontaktní plochu (proudová zatížitelnost 0,5 mm 25 A) - nejčastěji používaná, velmi flexibilní a levná metoda přivařeno (nabodováno) dioda keramická základní deska Technologie kontaktování přípojných terminálů Pružné kontakty - vysoká spolehlivost, nezávislost na teplotní roztažnosti materiálů kontaktních ploch - nedochází k praskání kontaktních spojek - mechanická odolnost (vibrace) - pružinové kontakty na modulech SEMiX a miniskiip 16

17 Technologie kontaktování přípojných terminálů pájené pevné kontakty pružinové kontakty Integrované snímače proudu VPS odporový bočník - do struktury modulu je implementován měřicí odpor známé hodnoty (5mΩ) napětí je úměrné proudu - nevýhoda: výkonová ztráta na odporu proudové čidlo - čidlo na principu Hallova jevu nevznikají ztráty IGBT tranzistor s měřicím emitorem Integrované snímače teploty VPS - do struktury modulu jsou implementovány PTC nebo NTC teplotní čidla - odpor čidla 1kΩ/25 C, rozsah měřicího proudu 1 3 ma 17

18 Spolehlivost VPS Spolehlivost (reliability) - velmi důležitý parametr určující kvalitu a životnost VPS - definována parametry MTBF, MTTF a FIT FIT (Failure in Time) - ukazuje kolikrát nastane chyba během jedné hodiny provozu (standardně 10-9 h) n f počet chyb N počet komponentů v provozu t sledovaný časový úsek Pro VPS je definováno FIT h Spolehlivost VPS MTBF = MTTF (Mean time between/to failure) - statistická veličina, která slouží k ohodnocení spolehlivosti výrobku - definuje čas mezi dvěma chybami Pro VPS je definováno MTBF h vanová křivka Výrobci výkonových polovodičů ABB semiconductors (Lenzburg, Švýcarsko) hlavní výrobní sortiment IGCT, asymetrické GTO, rychlé diody, fázově řízené tyristory vyráběny pro nejvyšší napěťové a proudové parametry. Společnost POLOVODIČE, a.s. v roce 2010 přešla se svým výrobním programem pod společnost ABB. Semikron International GmbH (Norimberk, Německo) - kompletní sortiment VPS (diody, tyristory, IGBT, MOSFET, IPM, čipy, driver, chladiče) Infineon Technologies AG (Warstein, Německo) vyrábí IGBT moduly, můstkové usměrňovače (easybridge, IsoPACK), tyristory a diody v kotoučovém provedení, vzduchové a kapalinové chladiče. Westcode Semiconductors Ltd. (Chippenham, Anglie) diody, tyristory, GTO, IGBT převážně v kotoučovém a šroubovém provedení. Usměrňovačové sestavy a fázové spínače. 18

19 Výrobci výkonových polovodičů IXYS Semiconductor GmbH (Lampertheim, Německo) obchodní spojení s firmou Westcode. Vyrábí IGBT a MOSFET na nižší výkonové hladině. Mitsubishi Electric Europe, Semiconductor Division, (Ratingen, Německo) IGBT moduly 1200 V a 1700 V s proudy do 600 A a vysokonapěťové IGBT 6500 V/400 A, 1700V/2400 A. Toshiba Electronics Europe (Düssedorf, Německo) diody, tranzistory, integrované obvody, fotoelektrické součástky. IGBT tranzistory do 1700 V / A. Reference Vondrášek, F.: Výkonová elektronika svazek 6, Projektování výkonových polovodičových měničů vybrané stati, ZČU Plzeň 2008 Wintrich, A.: Application Manual Power Semiconductors, SEMIKRON International GmbH 2010 Motto, J. W.: Introduction to Solid State Power Electronics, POWEREX Semiconductor Division, Youngwood, Pennsylvania &s= děkuji za pozornost Konstrukce polovodičových měničů 19