se_2021_5

СИЛОВАЯ ПРИВОДЫ ИСТОЧНИКИ СИСТЕМЫ АВТОМОБИЛЬНАЯ СОФТ ЭЛЕМЕНТНАЯ ПИТАНИЯ ИНДУКЦИОННОГО ЭЛЕКТРОНИКА БАЗА НАГРЕВА WWW.POWER E.RU ТЕМАТИЧЕСКОЕ № 5’2021 ПРИЛОЖЕНИЕ ОКТЯБРЬ К ЖУРНАЛУ КОМПОНЕНТЫ ISSN 2079-9322 И ТЕХНОЛОГИИ 12+ Силовые модули на основе SiC для широкого спектра применений Отечественная сборка Plug and Play на базе драйверного ядра ДР8/1700 Работа импульсных преобразователей с ШИМ контроллером в режиме перегрузки и КЗ на выходе реклама Электрические зарядные станции для электромобилей

реклама

реклама

СИЛОВАЯ В номере: ЭЛЕКТРОНИКА Силовая элементная база № 5 (92)’2021 Константин Верхулевский Главный редактор Павел Правосудов [email protected] Резисторы Caddock — качество, проверенное временем . . . . . . . . . . . .6 Зам. главного редактора Вячеслав Мускатиньев, Алексей Хапугин, Алексей Сабешкин, Наталья Мельникова, Светлана Иванова, Сергей Потапов, Анна Соснина [email protected] Александр Плотников, Алексей Гришанин, Валентин Мартыненко Выпускающий редактор Силовые блоки на основе мощных фототиристоров . . . . . . . . . . . . . .12 Наталья Новикова [email protected] Андрей Третинко Технический консультант Андрей Колпаков Мощные SiC-MOSFET-модули в компактном корпусе нового поколения от японской компании SanRex . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .16 Дизайн и верстка Дмитрий Никаноров [email protected] Клайс Вогель, Ян Баурихтер, Витали Вайс, Кристиан Стенингер, Фабиан Северин Отдел рекламы [email protected] Перевод: Евгений Карташов Ольга Зайцева [email protected] Ирина Миленина Модули серии Infineon EconoDUAL 3 Black: хорошо известные преимущества и новые особенности . . . . . . . . . . .20 Отдел подписки [email protected] Рене Спенке, Нилс Солтау, Тору Матсуока, Виктор Толстопятов Москва Высокоэффективные силовые модули на основе SiC 115088, Москва, для широкого спектра применений . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .26 ул. Южнопортовая, д. 7, стр. Д, этаж 2 Тел. / Факс: +7 (495) 414-2132 Иохим Ламп Перевод и комментарии: Андрей Колпаков Санкт-Петербург 197101, Санкт-Петербург, Седьмое поколение IGBT в трехуровневых преобразователях. Петроградская наб., 34, лит. Б Часть 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .34 Тел. +7 (812) 467-4585 E-mail: [email protected] Сергей Мельник, Ярослав Вренев, Станислав Клейн www.power-e.ru Отечественная сборка Plug-and-Play Республика Беларусь на базе драйверного ядра ДР8/1700 от АО «Ангстрем» . . . . . . . . . . . . .40 «ПремьерЭлектрик» Минск, ул. Маяковского, 115, 7-й этаж Джон Базинет Тел./факс: (10-37517) 297-3350, 297-3362 Перевод: Михаил Русских Подписной индекс Мостовой контроллер со сдвигом фазы Агентство «Урал-Пресс» 88471 для высоковольтных систем . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .44 «Почта России» П4213 Источники питания Дата выхода в свет 22.10.21 Тираж 4000 экз. Анатолий Коршунов Свободная цена Предельная непрерывная модель системы Журнал «Силовая электроника» зарегистрирован с периодическим высокочастотным изменением структуры. . . . . . . .48 Управлением Федеральной службы по надзору в сфере связи, информационных технологий Анатолий Миронов и массовых коммуникаций по Северо-Западному федеральному округу. Свидетельство Особенности работы импульсных преобразователей о регистрации средства массовой информации с ШИМ-контроллером в режиме перегрузки ПИ № ТУ 78 - 01937 от 17.10.2016 г. и короткого замыкания на выходе . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .52 Учредитель: ООО «Медиа Группа Файнстрит» Адрес редакции: 197046, Санкт-Петербург, Петроградская наб., д. 34, литер Б, помещение 1-Н, офис 321в Издатель: ООО «Медиа КиТ» 197101, СПб, Петроградская наб., д. 34, лит. Б, помещение 1-Н офис 321в Отпечатано в типографии «Премиум Пресс» 197374, Санкт-Петербург, ул. Оптиков, 4. Редакция не несет ответственности за информацию, приведенную в рекламных материалах. Полное или частичное воспроизведение материалов допускается с разрешения ООО «Медиа КиТ». Журнал включен в Российский индекс научного цитирования (РИНЦ). На сайте Научной электронной библиотеки eLIBRARY.RU (www.elibrary.ru) доступны полные тексты статей. Статьи из номеров журнала текущего года предоставляются на платной основе. Возрастное ограничение 12+

реклама

СИЛОВАЯ Михаэль Шрутка ЭЛЕКТРОНИКА Зачем источнику питания нужна шина данных? . . . . . . . . . . . . . . . . . .56 № 5 (92)’2021 Алексей Тифлов Editor-in-chief Pavel Pravosudov [email protected] Проблемы импортозамещения в производстве импульсных источников питания Managing editor [email protected] ООО «АЛЕКСАНДЕР ЭЛЕКТРИК источники электропитания» . . . .58 Natalia Novikova Транспорт Technical editor Andrey Kolpakov Андрей Тимофеев, Никита Балашенко Design and layout Инфраструктура для электромобилей: Dmitry Nikanorov [email protected] электрические зарядные станции . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .62 Advertising department [email protected] Питание РЭА Olga Zaytseva [email protected] Irina Milenina Юрий Либенко, Алексей Воронцов Subscription department Системы электропитания РЭА: [email protected] пути повышения безотказности . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .66 Editorial office Список рекламы 115088, Russia, Moscow, Juzhnoportovaja, str. D, building 7 Microchip Limited . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .43 Tel./Fax: +7 (495) 414-2132 Traco.Online . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .3 Вектор технолоджи, ООО . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .39 197101, Russia, St. Petersburg, ВЗПП-С, АО. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .65 Petrogradskaya Emb., b. 34 “B” Завод Снежеть, АО . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1-я обл. Tel. +7 (812) 467-4585 Компания Квест, ООО. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .11 E-mail: [email protected] ЛИГРА, ООО . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .51 www.power-e.ru/eng.php Миландр ПКК, АО . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .5 Протон-Электротекс ТД, АО . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2-я обл. Representative office in Belarus СЕМИКРОН, ООО . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4-я обл. Minsk, Premier Electric Силовая Электроника, ООО . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .61 Tel.: (10-37517) 297-3350, 297-3362 Симметрон, ЗАО. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19, 33 E-mail: [email protected] Элеконд, АО. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .71 Электровыпрямитель, ПАО . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1 Элим СП, ООО . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .51 Выставка «Securexpo» . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .71 Выставка «Интерпластика» . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .61 Выставка «ЭкспоЭлектроника» . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3-я обл. Выставка «Электрические сети» . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .72 Выставка «Энергетика Урала» . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .11 Форум «SEYMARTEC DIGITAL» . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .65

реклама

Силовая электроника, № 5’2021 Силовая элементная база Резисторы Caddock — качество, проверенное временем Несмотря на кажущуюся простоту, резисторы являются важными элементами многих электронных схем, от качества изготовления которых часто зависит надежность и срок службы проектируемого оборудования. Компания Caddock Electronics, имеющая более чем полувековую историю, предлагает широкую линейку резисторов и резисторных сборок в различном корпусном исполнении. В данной обзорной статье рассматриваются особенности отдельных серий, объединенных в группы в зависимости от назначения, ключевых характеристик и условий эксплуатации. Константин Верхулевский Введение чения. Продукция компании обладает широким [email protected] диапазоном удельных сопротивлений, хорошей Caddock Electronics, основанная в 1962 году, спе- точностью, превосходной температурной и вре- циализируется на разработке и производстве ре- менной стабильностью параметров и повышенной зисторов и резисторных сборок различного назна- надежностью в жестких условиях эксплуатации [1]. Рис. 1. Номенклатура резистивной продукции компании Caddock 6 www.power e.ru

Силовая электроника, № 5’2021 Силовая элементная база Некоторые изделия, представленные в на- Таблица 1. Основные параметры токоизмерительных резисторов Caddock стоящее время на рынке электронных ком- понентов, не имеют аналогов. Например, Серия Номинальная Диапазон сопротивлений Точность, % Диапазон Корпусное в ассортименте присутствуют резисторы, мощность, Вт (мин./макс.) рабочих исполнение рассчитанные на рабочие напряжения вплоть температур, °C до 48 кВ, длительную эксплуатацию при вы- D-Pak соких температурах (до +275 °С) и высокую MP725 25 0,02 Ом/1 Ом ±1; ±5; ±20 -55..+150 TO-220 рассеиваемую мощность (до 100 Вт). Кроме се- TO-220 рийных устройств, производитель предлагает MP820 20 10 Ом/10 кОм –55…+175 TO-126 разработку и соответствующее тестирование MP821 20 0,02 Ом/9,99 кОм TO-220 специализированных изделий, выполненных MP825 25 0,02 Ом/10 кОм ±0,5; ±1; ±5; ±20 TO-126 на основе требований заказчика. Заявленные TO-220 характеристики гарантируются непрерывным MP850 50 0,2 Ом/10 кОм TO-220 контролем на всех стадиях производственного TO-247 процесса и 100%-ными выходными испыта- MP915 15 0,02 Ом/1 кОм ±1; ±5; ±20 –55…+150 TO-220 ниями (электрическими и климатическими) TO-220 с целью обнаружения дефектов и отбраков- MP916 16 0,01 Ом/0,019 Ом ±5; ±20 SR10 ки изделий, не удовлетворяющих программе SR20 проверки качества. MP930 30 0,02 Ом/4,99 кОм ±1; ±5; ±20 чип 1512, 2015, 2520 чип 2015, 2520 Используемые при производстве передовые MP9100 100 0,05 Ом/100 Ом ±1 –55…+175 с аксиальными выводами технологии Micronox и Tetrinox обеспечивают исключительные технические характеристики MP2060 18-60 0,005 Ом/1 кОм ±1; ±2; ±5 –55…+150 и позволяют применять предлагаемые рези- сторы во многих видах высокотехнологичного MPM20 20 0,02 Ом/10 кОм ±0,5; ±1 –55…+175 оборудования специального назначения, в том числе в космической и военной аппаратуре. SR10 1 0,008 Ом/1 Ом К популярным областям применения изделий Caddock относятся источники питания, обо- SR20 2 0,005 Ом/1 Ом ±1 –55…+150 рудование широкополосной связи и передачи CC 0,75–1,5 0,01 Ом/10 Ом данных, медицинская и лабораторная аппара- тура, силовые коммутирующие устройства, CD 1–1,5 0,01 Ом/0,2 Ом прецизионные измерительные цепи, системы автоматизированного контроля и т. д. MV 1,5–10 0,1 Ом/50 Ом ±1; ±5; ±10 –55…+275 На рис. 1 показана общая классифика- ния и т. д. Величина температурного коэффи- влияние температурной погрешности и зна- ция всех выпускаемых устройств Caddock. циента сопротивления (ТКС) зависит от но- чительно повышает стабильность измерения. Необходимо отметить, что отдельные серии миналов резисторов и варьируется от десятков Ряд номиналов начинается от 5 мОм, а рассеи- резистивной продукции могут принадлежать до сотен ppm/°С. Выходные испытания прово- ваемая мощность не превышает 2 Вт. к нескольким группам одновременно [2]. дятся в соответствии с требованиями стандар- та MIL-STD-202. Аналогичное строение име- Прецизионные токоизмерительные чип- Токоизмерительные резисторы ют резисторы серии MPM20, отличающиеся резисторы серий CC и CD выпускаются от других наличием позолоченных выводов в планарных корпусах типоразмеров 1512, Как известно, токоизмерительные резисто- и предназначенные для высокочастотных 2015 и 2520. Являются хорошим выбором для ры используются для прямого преобразова- применений. Серия MP2060, рассчитанная применения в импульсных источниках пита- ния тока в напряжение с целью его дальней- на максимальную мощность 60 Вт и предель- ния. Устройства серии MV в цилиндрических шего измерения и контроля. Как правило, они ный рабочий ток 60 А, широко используется корпусах с аксиальными выводами предна- представляют собой малогабаритные двухвы- в высоковольтных коммутирующих цепях. значены для монтажа в отверстия на печатной водные компоненты с низким собственным Мощные резисторы способны надежно функ- плате. Их ключевое отличие — возможность сопротивлением и малой паразитной ин- ционировать при импульсных перенапряже- эксплуатации при высоких температурах дуктивностью. У компании Caddock данная ниях, корпусное исполнение по огнестойкости вплоть до +275 °С. Габаритные параметры группа представлена несколькими сериями, соответствует оценке UL 94 V0. определяются максимальной рассеиваемой отличающимися друг от друга, прежде всего, мощностью (пять номиналов). номинальной рассеиваемой мощностью и, со- Маломощные резисторы серий SR10 и SR20, ответственно, вариантами корпусного испол- доступные в миниатюрных корпусах с одно- Мощные пленочные резисторы нения. Их основные характеристики занесены рядным расположением выводов, построены в таблицу 1. по схеме Кельвина (рис. 2). Четырехвыводная Помимо рассмотренных ранее изделий се- конструкция, в которой ток проходит через рий MP, MPM и MV, в данную группу вхо- Серии MP725, MP820, MP821, MP825, MP850, две клеммы, а напряжение контролируется дят устройства серий MK и MS. Семейство а также MP915, MP916, MP930 и MP9100 состо- на двух оставшихся контактах, уменьшает MK включает безындукционные резисторы ят из мощных пленочных резисторов, изго- тавливаемых на основе запатентованной тех- Рис. 2. Корпусное исполнение резисторов серий SR10 и SR20 нологии Micronox для получения минималь- ного значения собственной индуктивности (не более 20 нГн). Выпускаются в изолированных керамических корпусах стандартных типо- размеров (TO-126, TO-220, TO-247 и D-Pak), снабженных дополнительной теплоотводя- щей площадкой для установки радиатора. Рекомендованы для применения совместно с микросхемами драйверов шаговых двигате- лей, в электроприводах, инверторах напряже- www.power e.ru 7

Силовая электроника, № 5’2021 Силовая элементная база от воздействия окружающей среды путем на- несения защитных покрытий. Рис. 3. Внешний вид резисторов серии MK погрешностью 0,1 или 1%). Стабильность со- Прецизионные высоковольтные противления по результатам тестов составляет резисторы и резисторные сборки с расширенным диапазоном номинальных 0,05% на 1000 ч эксплуатации при температу- сопротивлений (1 Ом — 100 МОм). Типовая рах вплоть до +275 °С. Основные характеристики элементов дан- погрешность сопротивления составляет ±1%, ной группы представлены в таблице 2. по запросу возможна поставка изделий с точ- При производстве компонентов данного ностью ±0,1%. Также следует отметить доста- типа на цилиндрическое основание, выполнен- Компоненты серий MG, TG, USG и MX5xx точно низкий температурный коэффициент, ное из керамики, методом трафаретной печати представляют собой высоковольтные дис- не более 80 ppm/°С даже у самой верхней наносится резистивный слой из специальных кретные резисторы с аксиальными вывода- границы доступного диапазона. Изменение проводящих паст (рис. 4). Установка номинала ми. Их конструкция была рассмотрена выше. номинального сопротивления не превышает резистора выполняется регулировкой формы Рассчитанные на рабочие напряжения до де- 0,1% на каждые 1000 ч эксплуатации при рабо- резистивного материала. Сформированный сятков кВ и устойчивые к значительным им- чих температурах –40…+150 °С. Компактные отпечаток обжигается в конвейерной печи при пульсным перегрузкам, они широко приме- корпуса с радиальными выводами, предна- температуре +760 °С, после чего образуется няются в делителях напряжения, в зарядных значенные для сквозного монтажа, упроща- гетерогенный монолитный слой с необходи- и разрядных цепях и многих других высоко- ют компоновку электронных компонентов мым комплексом резистивных параметров. вольтных схемах. на плате (рис. 3). Металлические колпачки, монтируемые на торцах заготовок, и привариваемые к ним Серия MG состоит из пленочных резисто- Серия MS представляет собой высоковольт- выводы определенной длины обеспечивают ров, предназначенных для работы в схемах ную версию устройств серии MV. Пленочные электрический контакт резистивного слоя с рабочими напряжениями 600 В — 48 кВ. резисторы в корпусах с аксиальными выво- и внешней электрической схемы. Далее про- Отличается хорошей стабильностью харак- дами рассчитаны на максимальную мощность изводится корректировка сборной конструк- теристик: например, пятикратная перегрузка 22 Вт и рабочие напряжения до 6 кВ. В рамках ции при помощи лазерной подгонки для по- по мощности в течение 5 с (при рабочем на- серии для заказа доступны 18 моделей, от- лучения заданной величины сопротивления. пряжении не более 150% от максимального) личающиеся массогабаритными показате- На последнем этапе компонент изолируется вызовет уход сопротивления не более 0,8%. лями и рядом номинальных сопротивлений В пределах серии доступны 23 модели, разли- (в диапазоне 20 Ом — 30 МОм с начальной чающиеся диапазоном номинальных сопро- тивлений, допустимым уровнем рассеиваемой мощности (0,5–15 Вт) и габаритными размера- ми (от 8,0×2,4 мм до 152,4×8,9 мм). Серия TG содержит резисторы с номинала- ми 1–1000 МОм и точностью от ±0,1 до ±1,0%. Для получения низких значений ТКС в ши- роком диапазоне рабочих температур ком- поненты серии производятся с применением проверенной технологии Tetrinox. Величина данного параметра для всех моделей не превы- шает 25 ppm/°C, что гарантирует стабильность функционирования при нагреве, вызванном протеканием тока. Оценочная погрешность сопротивления, возникающая при длитель- ной эксплуатации и вызванная воздействием факторов внешней среды, составляет 0,25% на 1000 ч при +125 °C. Максимальная темпера- тура эксплуатации резисторов серий MG и TG составляет +225 °С, что позволяет также отне- сти их к высокотемпературным компонентам и применять в скважинном оборудовании раз- личного назначения. Ультрастабильные прецизионные рези- сторы серии USG, предназначенные для экс- плуатации в промышленном диапазоне ра- бочих температур (–40…+85 °C), отличаются Таблица 2. Основные параметры прецизионных высоковольтных компонентов Caddock Номинальная Диапазон Диапазон Диапазон мощность, Вт рабочих сопротивлений Серия напряжений, В Точность, % ТКС, ppm/°C рабочих (мин./макс.) температур, °C MG 0,5–15 600–48000 200 Ом/10000 МОм ±0,1; ±0,25; 80 –55…+225 ±0,5; ±1 25 TG 1–6 4000–48000 1 МОм/1000 МОм ±0,1; ±1 USG – 5000–15000 50 МОм/200 МОм ±0,1; ±0,2 10–20 –40…+85 MX5xx 2–10 7500–32000 1 МОм/1000 МОм ±1 80 0….+70 HVD – 1500–5000 10 МОм/50 МОм ±0,05 5 USVD – 450–2000 1 МОм/20 МОм ±0,01 2 –40…+85 Рис. 4. Типовая конструкция резисторов USGS – 30000–50000 300 МОм/500 МОм ±0,1 5 с аксиальными выводами компании Caddock USF 0,33; 0,75 300–2500 50 Ом/25 МОм ±0,01; ±0,1 2–5 THV – 10000–15000 100 МОм/150 МОм ±0,25; ±0,5; ±1 10–25 –55…+125 8 www.power e.ru

Силовая электроника, № 5’2021 Силовая элементная база Рис. 5. Внешний вид резисторов серии Рис. 6. Внешний вид делителей напряжения серий HVD и USVD USF3xx еще более низким температурным коэффи- сборка может использоваться, например, в ка- последовательного соединения в высоко- циентом (10 или 20 ppm/°C). Компоненты честве делителя напряжения (при добавлении вольтных применениях, они гарантиру- серии рассчитаны на рабочие напряжения внешнего соединения на печатной плате). ют общий температурный коэффициент 5, 10 или 15 кВ и выпускаются в корпусах не более 5 ppm/°C. Рассчитаны на напря- трех типоразмеров. При необходимости Резисторные сборки Caddock представляют жения до 50 кВ постоянного тока, полное возможна разработка под заказ устройств собой два или более резисторов, объединен- сопротивление сборок составляет 300 или с более высокими допустимыми напряже- ных в одном корпусе в той или иной конфи- 500 МОм (±0,1%) соответственно. Для по- ниями, например 50 или 100 кВ. Номиналы гурации. Они позволяют экономить площадь лучения более высоких значений сопротив- резисторов ограничены пятью значениями печатной платы, уменьшают число компонен- ления несколько резисторных сборок USGS сопротивлений: 50, 75, 100, 150 и 200 МОм, тов в схеме и количество точек пайки. могут быть включены последовательно. при этом их начальная погрешность не пре- Аналогичное назначение имеют ультраста- вышает 0,2%. Устройства серий HVD, USVD, USGS, USFS бильные наборы резисторов повышенной и THV изготавливаются в плоских керами- точности, относящиеся к серии USFS. Они Компоненты серии MX5xx с максимальны- ческих корпусах типа SIP с однорядным рас- состоят из трех или пяти резисторов USF370 ми рабочими напряжениями 7,5–32 кВ пред- положением выводов. Ультрапрецизионные или USF371, имеют полное сопротивление ставляют собой резисторы бюджетного типа, делители напряжения серий HVD и USVD 30, 50 или 100 МОм, при этом погрешность адаптированные под коммерческий диапазон предназначены для эксплуатации в цепях всей сборки не превышает ±0,1%. В зависи- температур (0…+70 °C). Семь доступных с рабочими напряжениями 1500–5000 и 450– мости от числа резисторов рабочее напряже- моделей мощностью 2–10 Вт и диапазоном 2000 В соответственно. Резисторы серии HVD ние составляет 3 или 5 кВ постоянного тока, сопротивлений 1–1000 МОм обладают эф- с погрешностью не более 0,05% и температур- величина ТКС — 2 ppm/°C. фективным соотношением цена/качество. ным коэффициентом 5 ppm/°C оптимальны Безындукционное исполнение в соответствии для применения в высококачественных ме- Высоковольтные делители напряжения се- с технологией Micronox минимизирует потери дицинских приборах и лабораторном обору- рии THV позиционируются для применения на высоких частотах. Температурный коэффи- довании. Делители напряжения USVD обла- в радиолокационных станциях, рентгеновской циент сопротивления повышен до 80 ppm/°C дают коэффициентами деления 100:1 и 1000:1 аппаратуре, источниках питания на лампах при рабочих температурах 0…+70 °C. и получаются в результате объединения двух бегущей волны и т. д. Серия включает две резисторов серии USF, погрешность сопротив- модели с номинальными значениями рабо- Серия USF объединяет ультрастабильные ления при этом не превышает 0,01% (рис. 6). чих напряжений 10 или 15 кВ постоянного пленочные дискретные резисторы с радиаль- Диапазон рабочих температур –40…+85 °C. тока. Температурный коэффициент на выбор ными выводами. Их ключевая особенность — 10 или 25 ppm/°C при рабочих температу- низкий температурный коэффициент и высо- Серия USGS содержит наборы из трех или рах –55…+125 °C, абсолютная погрешность кая точность. Серия разработана для исполь- пяти специально подобранных дискретных зования в прецизионных аналоговых цепях резисторов USG1110. Предназначенные для (измерительных мостах, усилителях, делите- лях напряжения) и других схемах с рабочими Рис. 7. Внешний вид делителей напряжения серии THV напряжениями до 2500 В. В настоящее время доступны компоненты с номиналами из диа- пазона 50 Ом — 25 МОм и допуском ±0,01 или ±0,1%. Резисторы изготавливаются с приме- нением оксидалюминиевой (Al2O3) высоко- качественной керамики с большой удельной теплопроводностью, используемой в качестве подложки (рис. 5). Такая особенность позво- ляет эффективно отводить тепло, вызванное рассеиваемой мощностью, от резистивного материала. Серия USF условно подразделя- ется на USF2xx и USF3xx, отличающиеся ве- личиной температурного коэффициента — 2 и 5 ppm/°C соответственно. Компоненты USF2xx образуются путем объединения двух отдельных резисторов из серии USF3xx. Двухслойная конструкция незначительно уве- личивает толщину изделия, при этом добав- ляется еще один ряд выводов, расположенный на расстоянии 5,08 мм от первого. Полученная www.power e.ru 9

Силовая электроника, № 5’2021 Силовая элементная база Специализированные резисторные сборки Рис. 8. Внешний вид резисторов серии TF или расширенным диапазоном сопротивле- В данной группе следует отметить новые ний: 1 кОм — 10 МОм и 2–125 МОм соот- резисторные сборки серии VMN, устойчи- сопротивления не превышает 1%. ветственно. Каждый номинал выпускается вые к воздействию электрических импуль- Герметичный корпус прямоугольной формы в прямоугольных керамических корпусах сов с величиной напряжения до 10 кВ и дли- имеет толщину всего 3 мм и три вывода, при- с аксиальным или радиальным расположе- тельностью 1,2/50 мкс. Они сконструирова- годных для пайки (рис. 7). нием выводов (рис. 8). Выводы — медные, ны для использования в качестве делителей покрытые оловом. Изменение сопротивле- напряжения в промышленных и коммерче- Прецизионные резисторы ния во время жизненного цикла составляет ских устройствах измерения потребления и резисторные сборки с низким ТКС не более 0,03% за 1000 ч работы при темпе- и определения качества электроэнергии, ратуре +70 °C. а также в другом силовом и энергетическом Помимо ранее рассмотренных семейств оборудовании, требующем высокоточного USF, USFS, USG и USGS, к данной группе ТКС прецизионных резисторов серии TK контроля напряжения. Изготавливаются относятся устройства серий TF и TK. Серия зависит от номинала компонента и принимает с применением технологии Tetrinox, гаран- TF представлена ультрапрецизионными значения 5–10 ppm/°C для диапазона 1 кОм — тирующей высокую точность номинала. пленочными резисторами с ТКС не бо- 1,5 МОм и 10–20 ppm/°C для 1,51–10 МОм (при Использование многослойной керамиче- лее 5 ppm/°C и начальной погрешностью температурах эксплуатации –40…+125 °C). ской конструкции обеспечивает долгосроч- до ±0,01%. Предназначены для эксплуатации Корпусное исполнение соответствует рези- ную стабильность сопротивления, особен- в цепях с рабочими напряжениями до 1,4 кВ. сторам серии MK. но в жестких условиях окружающей среды Для заказа доступны модели со стандартным (рис. 9). Общее сопротивление двух после- довательно включенных резисторов в зави- симости от модели составляет 2 или 5 МОм, а коэффициент деления 400:1 или 500:1. Максимально допустимое рабочее напряже- ние не должно превышать 900 В (среднеква- дратичное значение). Погрешность установ- ки номинала выбирается из двух значений: 0,02 или 0,1%. Прецизионные малогабаритные декадные резисторные делители из серии 1776 пред- назначены для цифровых мультиметров, многодиапазонной аппаратуры и многих других устройств. Тридцать девять стан- дартных моделей с количеством декад 3–5, коэффициентами деления от 10:1 до 10000:1 и максимальным рабочим напряжением 1200 В позволяют выбрать подходящее ре- шение. Корпусное исполнение, аналогич- ное устройствам серии VMN, обеспечивает простоту монтажа. Все делители стабильно функционируют в диапазоне температур –40…+85 °C, абсолютное значение ТКС на- ходится в пределах 25–50 ppm/°C. Заключение Компания Caddock выпускает широкий ассортимент резисторов и резисторных сборок. Высоковольтные, высокотемпе- ратурные или прецизионные компоненты с низким температурным коэффициентом и высокой точностью, рассчитанные на раз- личную мощность и условия эксплуатации, подходят для большинства современных применений. Отличная техническая под- держка и подробная документация, доступ- ная для каждого семейства, позволяют сде- лать оптимальный по соотношению цена/ качество выбор. Рис. 9. Внешний вид резисторных сборок серии VMN Литература 10 1. Официальный сайт компании Caddock Electronics. www.caddock.com/index.html 2. Caddock high performance film resistors. Product overview. www.caddock.com/Online_ catalog/Mrktg_Lit/overview.pdf www.power e.ru

Силовая электроника, № 5’2021 реклама реклама www.power e.ru 11

Силовая электроника, № 5’2021 Силовая элементная база Силовые блоки на основе мощных фототиристоров Статья продолжает цикл публикаций, посвященных силовым блокам на основе отечественных фототиристоров [1]. Представлены результаты разработок и примеры конструирования высоковольтных коммутаторов тока для импульсных применений. Вячеслав Мускатиньев Введение туру применяемой электронной компонентной базы. Алексей Хапугин Поэтому одной из главных задач при создании твердо- Алексей Сабешкин В последние 25 лет в области силовой полупро- тельных ключей является правильный выбор силовых Наталья Мельникова водниковой электроники важное место занимают полупроводниковых приборов (СПП) и разработка на- Светлана Иванова твердотельные ключи для импульсных применений. дежных малогабаритных конструкций коммутаторов Сергей Потапов Они изготавливаются в виде быстродействующих тока. При современном уровне развития элементной Александр Плотников высоковольтных коммутаторов на основе мощных базы переход к СПП представляется предпочтитель- Алексей Гришанин силовых полупроводниковых приборов (СПП), спо- ным по сравнению с газоразрядными приборами. Валентин Мартыненко собных переключать импульсные токи амплитудой Полупроводниковые коммутаторы используют СПП десятки и сотни килоампер в микросекундном и суб- промышленного изготовления, технология производ- 12 миллисекундном диапазонах. Некоторые направле- ства которых хорошо отработана. Мощные полупро- ния использования высоковольтных импульсных водниковые приборы таблеточной конструкции легко коммутаторов в импульсной энергетике: соединяются последовательно в единой сборке, что мо- 1. Лазерная техника: жет обеспечивать рабочее напряжение коммутатора до 100 кВ. Полупроводниковые коммутаторы не допу- – генераторы импульсов тока для импульсного скают пропусков срабатываний, отличаются большим питания источников света в системах накачки сроком службы, экологической безопасностью, а также лазерных сред; невосприимчивостью к положению в пространстве. – генераторы импульсов тока и напряжения для фор- При разработке конструкции силовых блоков мирования объемных разрядов в лазерных средах. исходят из ряда условий, удовлетворяющих требо- ваниям надежности, простоты и стоимости закон- 2. Электрофизические установки (промышленные ченного изделия. При необходимости получения и научно-исследовательские): импульсных коммутаторов на высокие напряжения – ускорители элементарных частиц; и коммутируемые импульсные токи наиболее опти- – установки для исследований электрического мальна организация силовых блоков в виде столбов ускорения твердых тел; с последовательным соединением СПП. При этом для – установки для получения сверхсильных магнит- высоковольтных применений одной из важных задач ных полей (в том числе системы питания и за- остается гальваническая развязка силовой части схемы щиты обмоток токамаков); от системы управления. Для емкостных накопителей – установки для электроразрядной очистки инду- энергии с временами разрядного процесса порядка стриальных газовых выбросов и сточных вод; долей и единиц миллисекунд на токи до 150 кА напря- – установки для магнитоимпульсной обработки жением до 50 кВ предпочтительным решением стано- металлов; вятся силовые блоки на основе фототиристоров. – установки высокочастотного индукционного нагрева. Фототиристоры импульсные В качестве источника импульсных токов распро- Целесообразность использования фототиристо- странение получили емкостные накопители энергии. ров в схемах с последовательным соединением СПП Несмотря на довольно низкую плотность запасаемой обусловлена рядом их особенностей: высокой на- энергии по сравнению с другими типами накопите- грузочной и перегрузочной способностью; точным лей (индуктивные, электромашинные), они характе- временным контролем включения группы приборов; ризуются рядом преимуществ: высоковольтной гальванической развязкой между це- • удобство и простота в эксплуатации; пью управления и силовой схемой преобразователя; • возможность изменения в широких пределах па- стойкостью к электромагнитным помехам, которые могут приводить к ложным включениям (особенно раметров импульса разрядного тока; в системах, где неизбежны длинные кабели управле- • способность работать на разные типы нагрузок ния); устойчивостью к лавинным перегрузкам (осо- с высокой эффективностью передачи накопленной энергии [2]. Специфика высоких напряжений в мощной им- пульсной технике резко сужает границы и номенкла- www.power e.ru

Силовая электроника, № 5’2021 Силовая элементная база Таблица 1. Основные характеристики фототиристоров VDRM, VRRM VD, VR ITRM, sin 180° эл. град. VT(TO) rT (diT/dt)cr tq (dvD/dt)cr Rth(j-c) Габариты корпуса f = 1 Гц f = 50 Гц Dmax/Dcont/H Тип tp = 700 мкс tp = 10 мс В мОм 1,2 0,39 мм В В кА кА 1,22 0,39 A/мкс A/мкс мкс В/мкс °C/Вт 1,15 0,18 120/86/35 ТФИ183-2000 6000–6500 4000–4500 65 20 800 1000–2000 0,0078 147/100/40 ТФИ193-2000 7000–7200 5000 80 25 5000 1000 1000 0,0067 147/100/40 ТФИ193-2500 4200–4600 3000 100 30 630 1600–2000 0,0065 бенно в режимах динамической лавины) и т. д. прямого падения напряжения. Фототиристоры полученные в ходе моделирования. Видно, что Они легко управляются инфракрасным светом для комплектации блоков проходят 100%-ный с выбранными опорами контактное давление с оптической мощностью несколько десятков контроль, включая испытания на устойчивость в сборке однородно как по контактной площади милливатт. В линейке серийно выпускаемых к динамической лавине, как по отдельности, фототиристоров, так и между шестью прибора- фототиристоров три исполнения на импульс- так и в составе блоков, на испытательном стен- ми, составляющими высоковольтную сборку. ные токи до 100 кА, напряжение до 7200 В [3–5]. де собственной разработки [4]. Конструкция данного блока обеспечивает также В таблице 1 представлены их основные харак- способность выдерживать синусоидальную ви- теристики, а на рис. 1 приведены фотографии Блок коммутатора для проекта ИТЭР брацию в диапазоне частот 2–10 Гц с максималь- фототиристоров. ной амплитудой ускорения перпендикулярно оси Один из главных критериев правильной блоков 0,3g и вдоль оси блоков 2g. Особенность работы фототиристоров в им- конструкции высоковольтных блоков — обе- пульсных режимах связана с коммутацией оди- спечение однородности давления в контактах Система прижима при помощи тарель- ночных или редко повторяющихся импульсов СПП. Для оптимального выбора конструкции чатых пружин и шпилек из изоляционно- тока с амплитудой, близкой к максимально деталей и узлов зажимного устройства предвари- го композиционного материала высокой допустимым значениям ударных токов. Это тельно проводятся его моделирование и расчет. прочности позволяет соединять в столб приводит к выделению большого количества По результатам расчетов определяется наиболее до 15 фототиристоров или других табле- тепла в полупроводниковой структуре при- подходящий вариант конструкции зажимного точных СПП и обеспечивать равномерное бора, что ограничивает его коммутирующую устройства силового блока, обеспечивающий распределение усилия сжатия между ними. способность. При работе высоковольтных однородное распределение контактного давления Последовательное соединение СПП позво- фототиристоров на коротких импульсах тока как по площади каждого СПП, так и между по- ляет повысить надежность силовых ключей (менее 1 мс) необходимо учитывать и потери, следовательно соединенными приборами. Ниже посредством реализации принципа «N + 1». связанные с распространением включенного приведен пример расчета системы прижима си- В зависимости от требований заказчика состояния, которое из-за физических особен- лового блока из шести фототиристоров ТФИ193- возможно закладывать различный коэф- ностей приборов не происходит одновременно 2500-42 с применением оптимально выбранных фициент запаса по рабочему напряжению. по всей площади полупроводниковой структу- конструкций нижней усеченной опоры и верх- ры. Это дополнительно накладывает ограниче- него распределителя давления конусообразной Силовые блоки БК6ТФИ-100000-12,0-Е ния по амплитуде импульсного тока ITRM. Время формы. На рис. 2 показаны результаты распре- предназначены для коммутации импульсно- полного включения тиристоров и нагрузочная деления контактного давления на каждом СПП го тока 100000 А, с номинальным постоянным способность по току зависят от электрофизиче- высоковольтного блока БК6ТФИ-100000-12,0-Е, напряжением 12 кВ, с естественным воздуш- ских свойств кремниевой структуры, топологии ным охлаждением. Основные параметры бло- управляющего электрода и катодного эмиттера. ка приведены в таблице 2, внешний вид блока Топология и концентрационный профиль рас- пределения примеси кристаллов импульсных Таблица 2. Основные характеристики БК6ТФИ 100000 12,0 Е Значение фототиристоров оптимизированы для обеспече- 12 ния минимального времени включения и мак- Наименование параметра, режимы испытаний 100 симальных скоростей нарастания тока diT/dt. 0,7 Номинальное постоянное напряжение, VD, VR, кВ 500 Для каждого конкретного случая применения Амплитуда импульса тока, ITRM, кА фототиристоров в силовых коммутаторах про- 2,3 106 водится моделирование электрических и тепло- Длительность импульса тока (полуволна), tp, мс 28 вых переходных процессов, с учетом режимов их работы в емкостных накопителях энергии. Максимальная скорость нарастания тока при включении (diT/dt), А/мкс +40 Применяемые методы основаны на расчетах Интеграл действия тока в импульсе, i2t, А2с +5 температуры кремниевой структуры исходя из заданного интеграла действия импульса Класс изоляции относительно заземленной конструкции, Visol, кВ +60 тока. Предельное значение токовой нагрузки Температура окружающей среды, °С: –30 прибора определяется в момент появления максимально допустимая Воздушное естественное термогенерационного пика на осциллограмме минимально допустимая 640 330 310 65 Температура хранения, °С: максимально допустимая минимально допустимая Вид охлаждения Габаритные размеры, не более, мм Масса, не более, кг Рис. 1. Фототиристоры импульсные серии ТФИ Рис. 2. Результаты расчета распределения давления между фототиристорами в силовом блоке при www.power e.ru усилии сжатия 100 кН 13

Силовая электроника, № 5’2021 Силовая элементная база Таблица 3. Основные характеристики платы драйвера блока БК6ТФИ 100000 12,0 Е Наименование параметра, режимы испытаний Значение Сигнал запуска драйвера оптический, электронный Мощность оптического излучения драйвера, PL, мВт 200–350 Тип оптоволоконного кабеля QQ WF 205/230 Габаритные размеры, мм 260 230 36 Масса, не более, кг 2 Напряжение питания, В 24 Рис. 3. Блок БК6ТФИ 100000 12,0 Е лельно каждому прибору. Для подавления оптической мощности импульсов излучения импульсных перенапряжений при обратном до заданного опорного уровня и световую ин- представлен на рис. 3, структурная схема си- восстановлении фототиристоров применяют- дикацию наличия прохождения их в течение лового блока — на рис. 4. ся RCD-снабберы. 2 с оптоизлучателем U3 «Сигнал». Возврат схемы панели драйвера в исходное состояние Для надежной эксплуатации коммутаторов Блок оснащен платами запуска фототири- после прохождения импульса запуска осу- при больших токах и высоких напряжениях сторов. Управление фототиристорами в блоке ществляется автоматически. следует учитывать особенности работы фото- обеспечивается драйверами собственной раз- тиристоров [7] и обеспечивать: работки, основные параметры которых при- Со стороны анода и катода высоковольтно- • форсированное включение последовательно ведены в таблице 3. го блока расположены силовые шины, предна- значенные для подключения блока к внешней соединенных приборов; Панель драйвера соединена с блоком ком- коммутируемой цепи. Блоки БК6ТФИ-100000- • подавление импульсных перенапряжений, мутатора многомодовым оптоволоконным ка- 12,0 Е также обеспечивают работоспособ- белем 200/230 мкм с двумя ST-коннекторами ность при воздействии радиационного фона возникающих при запирании фототиристо- на концах. На панели драйвера через разъем в местах их размещения: вид излучения — ров или при обрыве тока в нагрузке. ХТ1–ХТ2 подается напряжение питания опти- гамма-кванты с энергией кванта — 6,5 МэВ; Форсирование включения фототиристоров ческих излучателей ИЛ-1М и преобразователя максимальная интенсивность излучения — достигается подключением RC-цепи парал- напряжения 24/+5 В, питающее схему логики 0,01 Гр/ч; суммарная доза за период эксплуа- и индикации панели драйвера. Запуск панели тации — 47 Гр. драйвера производится сигналом через опто- приемник U2 «Пуск оптический» или сигна- Силовые блоки БК6ТФИ-100000-12,0 Е при- лом через разъем ХТ3 «Пуск инжекционный» менены в коммутирующем оборудовании для (витая пара). Схема панели драйвера фор- конденсаторных батарей термоядерного ре- мирует импульс управления длительностью актора мощностью 500 МВт, строительство 10 мкс, размножает его на шесть разовых им- которого ведется по международному про- пульсов и синхронно подает их через разъемы екту ИТЭР. Конденсаторные батареи предна- Х7–Х12 на входы шести лазерных излучателей значены для создания импульса противотока А1–А6, которые включают фототиристоры в вакуумных прерывателях двух ступенча- блока. Связь излучателей с фототиристорами тых мощных контакторов. Эти контакторы оптическая по многомодовым кабелям через являются частью системы питания сверх- адаптеры ST. Панель драйвера имеет в своем проводящих катушек ИТЭР и обеспечивают составе схему контроля временного снижения быстрый разряд энергии магнитного поля Рис. 4. Структурная схема блока БК6ТФИ 100000 12,0 Е www.power e.ru 14

Силовая электроника, № 5’2021 Силовая элементная база сверхпроводящих катушек посредством энергии 120 кДж с высокой плотностью энер- 2. Еникеев Р. Ш. Переходные процессы в ем- включения в контур катушек разрядных ре- гии (до 0,4 Дж/см3). При проектировании бло- костных накопителях энергии с полупрово- зисторов. Сверхпроводящие катушки ИТЭР ка учитывался возможный режим работы кон- дниковыми коммутаторами. Диссертация запасают значительную энергию (несколько денсаторной ячейки: обрыв тока в нагрузке. на соискание ученой степени кандидата ГДж), и от конденсаторной батареи противо- В комплект блока входит трехканальная плата технических наук, СПб, 2011. тока должен быть сформирован импульс тока драйвера управления фототиристорами. не менее 70 кА длительностью порядка 600 мкс 3. ChibirkinV.,MartynenkoV.,KhapuginA.,Konuchov при начальном напряжении заряда до 10 кВ. Силовой блок БК5ТФИ-20000-24,0-Е отлича- A., Tundykov S., Grishanin A., Enikeev R., Serebrov После прохождения импульса тока разрядный ет стойкость к аварийным импульсам тока ам- R. Development and Investigations of Light Triggered ключ конденсаторной батареи закрывается, плитудой 40 кА длительностью не более 2 мс. Thyristors for Pulse Application. PCIM Europe, и высокое напряжение, превышающее на- 17–19 May 2011. Nueremberg, Germany, 2011. чальное напряжение заряда, прикладывается Заключение к разрядному ключу [7]. 4. Хапугин А., Плотников А., Мартыненко В., Силовые блоки на основе мощных фо- Гришанин А., Кострицкий С., Картаев В. Линейка силовых блоков тотиристоров представляют собой один Исследования мощных фототиристоров на фототиристорах из вариантов оптимального решения для в предельных импульсных режимах // комплектации высоковольтного комму- Силовая электроника. 2019. № 3. Используя подходы в разработке и проек- тирующего оборудования емкостных на- тировании, описанные в предыдущей главе, копителей энергии. Описанные в статье 5. wwww.elvpr.ru а также накопленный опыт в изготовлении исполнения силовых блоков — это лишь 6. Serebrov R. A., Fridman B. E., Khapugin коммутаторов для импульсных применений, примеры, не ограничивающие многооб- специалисты компании реализовали ряд про- разие вариантов компоновки и параме- F. F., Martynenko V. A. Development and ектов по техническим требованиям потребите- тров блоков. Представленные результаты Research of Heavy Pulse Current LTT Switch // лей. В результате создана линейка силовых бло- являются платформой в создании новых EEE Transactions on Plasma Science. 2016. ков на основе импульсных фототиристоров [8]. надежных высоковольтных коммутаторов Vol. 44. Ниже представлена информация по выборке для импульсных применений, которые мо- 7. Fridman B., Enikeev R., Kharcheva K., из линейки разработанных блоков с указанием гут быть спроектированы в соответствии Kovrizhnykh N., Serebrov R. Counter pulse их основных параметров (табл. 4). с задачами потребителя. capacitor bank for 70kA, 10 kV commutation systems. IEEE Pulsed Power Conference, 16–22 Все представленные блоки обеспечивают ра- Литература June 2013, San Francisco, USA. ботоспособность с заданными параметрами 8. wwww.ao-elpress.ru при естественном воздушном охлаждении. 1. Сабешкин А., Мускатиньев В., Гришанин А., Елисеев В., Иванова С., Потапов С., Аширов Р., Конструкция блока БК3ТФИ2Д-100000-7,0-Е Немаев Д. Силовые блоки на основе тиристоров на основе трех импульсных фототиристоров и фототиристоров для промышленных при- и двух кроубарных диодов рассчитана на экс- менений // Силовая электроника. 2012. № 1. плуатацию в составе емкостного накопителя Таблица 4. Краткие характеристики блоков коммутаторов на основе импульсных фототиристоров Параметр БК1ТФИ-20000-2,5-Е БК3ТФИ2Д-100000-7,0-Е БК5ТФИ-20000-24,0-Е Максимальное напряжение, кВ, не более 2,5 7 24 Максимальный импульсный ток, кА, 20 100 20 не более Длительность полуволны разрядного 19,3 0,6 1 импульса, мс Частота повторения импульсов, мин-1, 1/30 1/10 1 не более Габаритные размеры, мм, не более 300 360 360 390 390 235 450 260 220 Внешний вид рис. 5 рис. 6 рис. 7 Рис. 6. Силовой блок БК3ТФИ2Д 100000 7,0 Е Рис. 5. Силовой блок БК1ТФИ 20000 2,5 Е с одноканальным драйвером управления Рис. 7. Силовой блок БК5ТФИ 20000 24,0 Е www.power e.ru 15

Силовая электроника, № 5’2021 Силовая элементная база Мощные SiC-MOSFET-модули в компактном корпусе нового поколения от японской компании SanRex Огромный толчок в развитии современной преобразовательной техники произошел благодаря внедрению в массовое производство полупроводниковых материалов на основе карбида кремния, использование которого позволяет выйти устройствам на новый уровень за счет улучшения энергетических качеств, увеличения КПД и удельной мощности, а также уменьшения массогабаритных показателей. В статье рассмотрены решения компании SanRex в области карбид кремниевой силовой электроники. Андрей Третинко SanRex Corporation, торговая марка компании Сравнивая SiC-MOSFET с аналогичными изделиями [email protected] Sansha Electric Manufacturing, представила новое других производителей со схожими параметрами, дей- семейство силовых полупроводников, в кото- ствительно можно убедиться, что изготовление кор- ром используются новейшие передовые технологии, пуса по системе Techno Block позволяет существенно доступные на рынке: 3S SiC-MOSFET. уменьшить габариты транзистора (рис. 2, табл.). Три буквы S описывают три наиболее важные ха- рактеристики, которыми обладают продукты SiC- MOSFET, как их эксклюзивные особенности: Smaller, Safer, Supportive. Размеры Рис. 2. Сравнение размеров корпусов SiC транзисторов Уникальная технология Techno Block подразу- мевает припайку чипа напрямую, без использо- вания дополнительных проводов, что приводит к значительному уменьшению размеров модуля. Также данный SiC-MOSFET включает структуру DioMOS: транзистор оснащен встроенным обрат- ным диодом, который разработан при поддерж- ке Panasonic, — это означает, что внешний диод не требуется, поскольку функция диода включена в матрицу (рис. 1). 16 Рис. 1. Сечение стандартного модуля и модуля в корпусе Techno Block www.power e.ru

Силовая электроника, № 5’2021 Силовая элементная база Таблица. Размеры сравниваемых модулей Наименование Размер, мм FCA150AC120 29,8 94 14 АНАЛОГ 1 62 106 30 АНАЛОГ 2 62 152 17 Рис. 3. Потери при работе IGBT транзистора и SiC MOSFET компании SanRex Рис. 4. Переходный процесс при коротких замыканиях Все эти технологии позволили не только ница потерь тем больше, чем больше частота 1–2 мкс, тогда как SiC-MOSFET от SanRex мо- коммутации). жет выдержать более 8 мкс (рис. 4). дополнительно уменьшить размеры мо- Надежность Также надежность повышается за счет двусто- дуля, но и повысить производительность ронней пайки и литья под давлением. Данная Вкупе со значительным уменьшением раз- технология позволяет в три раза увеличить ко- за счет существенного снижения RDS(on). меров компания SanRex уделила существенное личество циклов включения по сравнению с мо- На рис. 3 показано различие в расходо- внимание повышению безопасности и надеж- дулями в стандартной упаковке (рис. 5). Причем ности транзисторов. Модули 3S SiC-MOSFET речь идет именно о количестве циклов при рабо- вании энергии включения (Eon)/выключе- обладают высокой устойчивостью к коротким чей температуре до +150 °С, так как стандартный ния (Eoff) и работы в статическом режиме замыканиям, что гарантирует еще большую модуль может обеспечить количество циклов (Econd) между Si-IGBT-транзистором и SiC- безопасность их эксплуатации. Устройства более 20 000, только если верхний температур- MOSFET. конкурентов на базе SiC на 1200 В имеют спо- ный диапазон снизить до +120…+130 °С, тогда собность выдерживать короткое замыкание как модулю в корпусе Techno Block подобное Учитывая, что суммарные потери в работе ограничение не требуется. транзисторного ключа складываются из этих параметров, можно сделать вывод, что потери SiC-MOSFET компании SanRex меньше в 3–4 раза по сравнению с кремниевым IGBT (раз- Поддержка Не менее важным является оказание все- возможной поддержки, поскольку, кроме производства полупроводников, компания выпускает множество уже готовых решений. Так, на основе карбид-кремниевой продукции SanRex были изготовлены различные реше- ния в области преобразовательной техники. Например, на базе транзистора FCA150AC120 разработан модульный двунаправленный ис- точник питания постоянного тока (рис. 6) со следующими параметрами: Рис. 5. Сравнение технологии изготовления транзисторов Рис. 6. Модульный двунаправленный www.power e.ru источник питания постоянного тока SanRex 17

Силовая электроника, № 5’2021 Силовая элементная база са, следовательно, при ее изменении изменит- ся и ток. Так, при температуре устройства +90 °С по- лучим величину тока стока: при максимальном RDC(on), Рис. 7. Сравнение изменения сопротивления в открытом состоянии с ростом температуры различных при стандартном RDC(on). SiC транзисторов Таким образом, мы видим, что значение • номинальная мощность: 30 кВт; номинального тока стока ID указано значение тока стока при +90 °С значительно превышает • выходное напряжение: 500 В; 150 А, однако при сравнении с конкурента- указанные в спецификации 150 А и составляет • выходной ток: 180 А. ми надо учитывать, что данный транзистор порядка 300 А. Однако данное значение было можно сравнивать с аналогами, у которых ID использовано из-за значения тока истока, ко- Использование SiC-MOSFET позволяет источ- составляет порядка 300 А. торый протекает через диод в обратном на- нику работать на высоких частотах, что приводит правлении. Фактическое значение этого тока к достижению максимальной скорости откли- Это обусловлено тем, что фактическое рассчитывается по формуле (2), оно соответ- ка и уровню эффективности среди доступных значение тока стока транзистора SanRex от- ствует значению в спецификации и составляет на рынке аналогов схожей мощности. Основные личается от указанного в спецификации и его 150 А. области применения данного источника: можно вычислить, пользуясь следующей фор- • бортовое зарядное устройство для электри- мулой (1): (2) ческих автомобилей; (1) где: TCh(max) — максимальная температура пе- • DC/DC-преобразователи; рехода; TC — температура корпуса; RDC(on) — • устройства для тестирования аккумулято- где: TCh(max) — максимальная температу- сопротивление транзистора в открытом состо- ра перехода; TC — температура корпуса; янии при температуре +25 °С; VSD — прямое ров различного типа. RDC(on) — сопротивление транзистора в от- падение напряжения при температуре +25 °С; Также был изготовлен драйвер для работы крытом состоянии при температуре +25 °С; α — температурный коэффициент сопротив- SiC-MOSFET, который позволяет получить α — температурный коэффициент сопротив- ления; Rth(j-C) — температурное сопротивление частоту переключения более 400 кГц. Таким ления; Rth(j-C) — температурное сопротивление переход-корпус. образом, можно судить о том, что данная ком- переход-корпус. пания может оказывать поддержку на всех эта- Следовательно, чтобы оценить непрерыв- пах проектирования и производства устройств Данная формула показывает, что на непре- ный ток стока ID, было использовано значе- из карбида кремния. рывный ток стока влияет температура корпу- ние IS, хотя оно и является меньшим. Исходя Следует остановиться на информации, пред- из вышесказанного, можно судить о том, что ставленной в технических данных. В частно- для выбора MOSFET-транзистора нужно об- сти, для транзистора FCA150AC120 в качестве ращать внимание не на ток стока, а на сопро- тивление в открытом состоянии. И, как видно на рис. 7, у транзистора SanRex сопротивление в открытом состоянии практически не изменя- ется от температуры в отличие от продукции конкурентов. Батарейные модули для систем бесперебойного питания от Delta Electronics Компания Delta Electronics начала оснащать свои блоки питания серии CliQ постоянного тока. Они могут поддерживать заряд аккумулятора при 18 В M новыми ИБП постоянного тока и аккумуляторными модулями для систем постоянного тока и функцию повышения мощности на 150% в системах бесперебойного питания. Блоки питания и модули CliQ M серии предназна- на 24 В. Ток зарядки (опция) и время буферизации выбирается в соответствии чены для сокращения простоев производства при сбоях питания. с потребностями пользователя. Три новых модуля DC-UPS для серии CliQ M предлагают выходные токи Батарейный модуль CliQ M DRN-24V7AAEN предназначен для поддержки 10, 20 и 40 A, а также широкий диапазон входного напряжения 18–30 В двух свинцово-кислотных батарей 12 В 7,2 А•ч для системы 24 В в качестве резервного источника питания. Модуль батареи имеет встроенный индикатор напряжения, чтобы легко контролировать ее состояние во время работы. Защита от перегрева доступна при использовании аккумуляторного модуля CliQ M вместе с модулями DC-UPS. Комбинация помогает продлить срок служ- бы батарей и является лучшим решением для энергоснабжения систем беспе- ребойного питания в широком спектре приложений, таких как промышленная автоматизация, автоматизация производства, автоматизация машин. www.macrogroup.ru 18 www.power e.ru

реклама

Силовая электроника, № 5’2021 Силовая элементная база Модули серии Infineon EconoDUAL 3 Black: хорошо известные преимущества и новые особенности В статье представлен обновленный модуль Infineon EconoDUAL 3 Black, описано, как обеспечивается баланс между внедрением новых функций и сохранением проверенных и испытанных свойств. Анализируются параметры нового модуля FF600R12BE7_B11(BE7), в котором использованы технологии IGBT 1200 В TRENCHSTOP IGBT7, и диодов EC7 с управляемым эмиттером. Клайс Вогель Infineon EconoDUAL 3 (ED3) является одним из са- к современным требованиям рынка. Корпус усовер- (KlausVogel) мых популярных конструктивов электронных сило- шенствован для использования в автоматизирован- Ян Баурихтер вых приборов на рынке. С 2005 года данные модули ных производственных линиях, что стало возмож- (Jan Baurichter) используются в таких ответственных устройствах, ным благодаря упрощению процесса запрессовки Витали Вайс как общепромышленные приводы (GPD), электри- сильноточных печатных плат (PCB). Он разработан (Vitali Weiss) ческие автобусы и грузовики, инверторы солнечных для будущих поколений IGBT и имеет оптимальное Кристиан Стенингер и ветряных электростанций, источники бесперебой- соотношение цены и производительности. Не сле- (ChristianSteininger) ного питания (UPS), зарядные устройства и тяговые дует забывать о формуле успеха, работающей бо- Фабиан Северин приводы. Сегодня этот конструктив доступен с раз- лее десяти лет: размер модуля остался таким же, как (Fabian Severin) личными технологиями IGBT и топологиями схем, у нынешнего EconoDUAL 3 с его хорошо известными Перевод: а также с интегрированными токовыми шунтами. преимуществами. Все это соответствует современ- Евгений Карташов Помимо практичной геометрии, упрощающей кон- ным тенденциям общества, направленным на эконо- струкцию инвертора, корпус EconoDUAL славится мию ресурсов и обеспечение стабильности жизни. 20 высокой плотностью мощности, простотой сборки, большим монтажным пространством для установки Дизайн корпуса плат драйверов и удобством параллельного соеди- нения. Цель модернизации дизайна EconoDUAL 3 Black заключается в дальнейшем упрощении производства По прошествии 15 лет настало время модерниза- (по сравнению с предыдущей моделью) и подготовке ции конструктива, позволяющей адаптировать его корпуса для последующих поколений чипов. Кроме того, с учетом требований по экологичности и эко- номному расходованию природных ресурсов содер- жание меди в новом конструктиве снижено ввиду устранения медной базовой платы. Это позволяет стабилизировать цену, поскольку стоимость меди оказалась очень волатильной, она испытала огром- ный рост в недавнем прошлом. Была разработана новая сложная комбинация керамических корпусов для подключения радиатора без использования мед- ной базовой платы. Рис. 1. Модуль серии EconoDUAL 3 Black: Автоматизированная производственная линия два из четырех технологических элементов выделены Все больше производителей силовых преобразо- синим цветом, левая сторона модуля — вид сверху, правая сторона модуля — вид снизу. Элементы вателей заменяют ручную сборку полностью авто- введены для упрощения автоматизированного матизированными производственными линиями, производства инверторов поэтому одним из направлений разработки новых IGBT-модулей является упрощение такого подхо- да. Для реализации этой задачи компоненты серии www.power e.ru

Силовая электроника, № 5’2021 Силовая элементная база EconoDUAL 3 Black оснащены четырьмя тех- нологическими направляющими элементами (два сверху и два снизу, рис. 1). Это позволяет позиционировать модуль при сборке инвертора, обеспечивая его точную установку на автоматизированной производ- ственной линии. Опорные точки формируют систему отсчета, являясь наилучшим сред- ством позиционирования. Благодаря данной особенности стандартные дюбельные штифты (в соответствии с ISO 2338) могут использо- ваться в погрузочных захватах, на радиаторах или в любом ручном, полуавтоматическом или даже высокоавтоматизированном про- цессе. Кроме автоматизации, высокоточное позиционирование модуля позволяет произ- водителям применять в своих изделиях менее дорогие шины с более высоким допуском. Процесс запрессовки Рис. 2. Три модуля серии EconoDUAL 3 Black и конденсаторы звена постоянного тока соединены Пятнадцать лет назад классическая кон- с сильноточной PCB (выделена зеленым цветом) методом запрессовки. Позиционирование PCB струкция инвертора среднего диапазона мощ- производится с помощью штифтов (выделены синим цветом) и новых опорных элементов. Модули ности предусматривала винтовое соединение можно установить на приспособлении для запрессовки с помощью нижних опорных элементов медных шин с DC и AC силовыми термина- (здесь не показаны) лами модуля IGBT и паяное соединение пе- чатной платы (PCB) драйвера с его сигналь- Все используемые материалы — пластик, Изолирующая подложка модулей серии ными выводами. Это требовало большого гель, керамика и выводы — выбраны с учетом EconoDUAL 3 Black обеспечивает наименьшее процента ручной сборки, поскольку данные ожидаемой тепловой нагрузки текущего и бу- тепловое сопротивление «кристалл — тепло- производственные этапы сложно автомати- дущих поколений кристаллов. сток» для данной конструкции, а также высо- зировать. Появление процесса прессовой по- кую механическую прочность. Для подтверж- садки, заменившего пайку PCB, и внедрение Керамическая подложка дения высоких механических характеристик сильноточных печатных плат с трассами вме- с высокой механической прочностью были проведены испытания с приложени- сто внешних шин упростило процесс сборки Керамическая DBC-подложка выполняет ем высокого усилия одновременно к стан- и сократило количество производственных множество различных функций. Она за- дартному ED3 и новому модулю ED3 Black. операций для преобразователей в диапазоне щищает внутреннее пространство модуля, Приспособление для тестирования и условия мощности ED3. При сборке трехфазного ин- формирует электрическую изоляцию те- испытаний показаны на рис. 3 и 4. вертора плата управления запрессовывается плоотвода, на нее устанавливаются чипы. на 1–3 модуля, после чего они устанавлива- Подложка обеспечивает соединение с радиа- В ходе испытаний к модулям прилагаются ются на радиатор. На рис. 2 показан пример тором с низким тепловым сопротивлением усилия, намного превышающие допустимые такой конструкции: три модуля установлены «кристалл — теплосток» (RTH_JH). Многие по спецификации значения. Это делается для на теплоотвод и подключены к сильноточной из вышеупомянутых характеристик моду- демонстрации высокого уровня надежности PCB с конденсаторами DC-шины. ля зависят от материала и толщины DBC- новых компонентов по сравнению с преды- Четыре новых технологических элемента керамики. дущим поколением, которое уже является (рис. 1) упрощают процесс запрессовки, по- достаточно надежным. Усилие более 4000 Н скольку позиционирование самих модулей, а также модулей и сильноточной печатной платы или PCB-драйвера будет выполняться с высокой точностью. Возможен автоматизи- рованный процесс монтажа, поскольку вза- имное положение компонентов относительно друг друга здесь четко определено. Следует учитывать еще один момент — допуск по вы- соте четырех устройств, подключенных к пе- чатной плате и радиатору. Высоты должны быть одинаковыми, чтобы избежать механи- ческих напряжений между соединяемыми де- талями и обеспечить правильное подключение каждого вывода к PCB. Высота модулей новой серии EconoDUAL 3 Black определяется только пластиковым корпусом, что гарантирует очень небольшой разброс по этому параметру. Адаптация к новым поколениям IGBT Рис. 3. Слева: установка для проверки механической прочности. Справа: эскиз тестовой установки Новые поколения IGBT обычно рассчита- с EconoDUAL 3 (внизу) и EconoDUAL 3 Black Series (вверху). Модули соединены посредством ны на более высокие рабочие температуры металлической шины на силовых терминалах, усилие приложено по центру сверху (зеленая стрелка) по сравнению с предыдущими генерациями. Модули EconoDUAL 3 Black начнут 21 выпускать с номинальных параметров 600 А 1200 В на чипах Trenchstop IGBT 7. www.power e.ru

Силовая электроника, № 5’2021 Силовая элементная база 1) Ультразвуковая микроскопия: тест пройден, нет трещин в керамике 2) Тест изоляции 3,4 кВ AC 60с: пройден Рис. 5. Модуль Black Series после теста на механическую прочность (рис. 3). Никаких видимых повреждений нет, подложка сохранила целостность Рис. 4. Примерное соотношение «сила — смещение» при испытаниях на механическую прочность воздействует до тех пор, пока не произойдет (превышает допустимые значения спецификации) повреждение корпуса EconoDUAL 3. У моду- лей новой серии Black не происходит отказов, Рис. 6. Сравнение теплового сопротивления «кристалл — теплосток» при использовании различных что демонстрирует их высокую надежность. материалов термопаст (TIM) На рис. 5 показано приспособление для про- верки и результаты тестирования. Таким об- Рис. 7. Характеристики восстановления FF600R12ME4_B72 при скорости коммутации IGBT 5 кВ/мкс разом, компоненты серии Black выдерживают и 2,4 кА/мкс (RG_EXT = 1 Oм) и FF600R12BE7_B11 при 7 кВ/мкс и 7 кА/мкс (RG_EXT = 0,5 Oм) жесткий тест на механическую прочность. 22 Модули EconoDUAL 3 Black подходят для всех вариантов производства — от полностью автоматизированного до обычной ручной сборки преобразователей. Материалы теплового интерфейса Материалы, использованные при изготовле- нии модуля, обеспечивают высокую плоскост- ность подложки. Поэтому важно внимательно следить за процессом нанесения термопасты, чтобы предотвратить ухудшение характери- стик из-за нарушения правил ее применения. Кроме того, материал TIM оказывает большое влияние на тепловые характеристики; на рис. 6 показаны величины теплового сопротивления RTH_JH для различных типов паст. Спецификация Infineon справедлива для термопасты с теплопроводностью 1 Вт/м·К. Использование материала Infineon TIM [1] или другого с более высокой теплопровод- ностью улучшает RTH_JH на 12 и 24% соответ- ственно. Электрические характеристики В этом разделе проводится сравнение нового модуля FF600R12BE7_B11 (600 А, 1200 В) с чипами IGBT 7, с предшествующим FF600R12ME4_B72. Удаление медной базовой платы и умень- шение размера чипов [2] должны быть ском- пенсированы за счет совершенствования кон- струкции DCB и внедрения новой технологии IGBT, направленных на улучшение распреде- ления тепла и снижение коммутационных и статических потерь. Электрические потери Ключевая цель разработки силовых моду- лей, предназначенных для инверторов в диа- пазоне высокой мощности, — размещение параллельных полупроводниковых чипов, www.power e.ru

Силовая электроника, № 5’2021 Силовая элементная база обеспечивающее симметричные цепи ком- Рис. 8. Потери включения при 600 A и +150 °C в зависимости от du/dt10–90 при 60 A и +25 °C мутации тока между ними. Чем они симме- для обоих приборов тричнее, тем быстрее может происходить переключение без риска короткого замыкания Рис. 9. di/dt10–90 при 600 A и +150 °C в зависимости от du/dt10–90 при 60 A и +25 °C и токовой перегрузки. В новом модуле вся схе- для модулей двух поколений ма расположена на одной подложке. По срав- нению с вариантами с использованием двух Рис. 10. Сравнение статических потерь модулей ME4_B72 и BE7_B11 (резистор затвора выбран или трех подложек такая топология не требует для максимальной скорости коммутации без осцилляций при +25 °C и 60 A); сравнение статических дополнительного места для соединительных потерь и сопротивления выводов (RCC'+EE') проводников, что снижает паразитную индук- тивность и распределенное сопротивление. 23 Размещение чипов может производиться с высокой степенью свободы. В новом корпусе ED3 Black улучшена топология соединений IGBT и диодов, что обеспечивает более бы- строе включение и, следовательно, сниже- ние потерь IGBT. Подробная информация о влиянии топологии DCB на потери и ско- рость коммутации дана в [2]. На рис. 7 приве- дено сравнение прежнего и нового 600-А мо- дуля в отношении характеристик восстанов- ления диода. Предельные возможности ME4_B72 ста- новятся видимыми. При внешнем резисторе затвора (RG_EXT) менее 1,5 Ом и скорости на- растания напряжения (du/dt10–90) 4,3 кВ/мкс возникают осцилляции, которые могут созда- вать проблемы в отношении электромагнит- ных помех (EMI). Модуль нового поколения обеспечивает более быстрое переключение без влияния осцилляций до du/dt10–90 7 кВ/мкс. На рис. 8 потери включения при 600 А и +150 °C показаны в зависимости от du/dt при 60 А и +25 °C для обоих приборов. Модуль FF600R12ME4_B72 способен работать при du/dt10–90 до 4 кВ/мкс при 60 А и +25 °C без возникновения осцилля- ций. FF600R12BE7_B11 может переключаться со скоростями до 7 кВ/мкс без осцилляций, что предоставляет пользователям высокую степень свободы, если в приложении допусти- ма быстрая коммутация. Новый модуль с чи- пами IGBT7 имеет хорошую управляемость в широком диапазоне du/dt10–0 с центральным значением около 5 кВ/мкс. При скорости, на- пример, 4 кВ/мкс видно, что прибор Black Series с чипами IGBT 7 имеет более высокие потери включения, чем у ключей предыдуще- го поколения, IGBT 4. Это можно объяснить с помощью рис. 9. При той же скорости нарастания тока (di/dt10–90), номинальном токе и температуре +150 °C величина du/dt10...90 при 10% номи- нального тока и +25 °C у модулей BE7_B11 выше, чем у ME4_B72. Причиной этого яв- ляется влияние внутренней компоновки модуля на характер восстановления диодов. В приборах BE 7_B11 восстановление идет бы- стрее, что приводит к увеличению du/dt10–90 при включении IGBT. Подробное объяснение этого эффекта можно найти в [2]. Описанные преимущества, улучшенные показатели ста- тических потерь и снижение сопротивления терминалов RCC`+EE` обобщены на рис. 10. Благодаря использованию одной DCB- подложки и оптимизации положения чипов IGBT 7 потери включения уменьшены более чем в 2 раза по сравнению с предыдущим по- колением. Продолжая это сравнение, отметим, www.power e.ru

Силовая электроника, № 5’2021 Силовая элементная база Кроме того, решение с одной DCB в сочетании В модулях серии EconoDUAL 3 Black исполь- с ультразвуковой сваркой терминалов позво- зуются лучшие из доступных технологий для ляет снизить сопротивление выводов модуля снижения теплового сопротивления выводов с 1 до 0,55 мОм. При токе нагрузки 450 А это без изменения внешних размеров. Это дости- приводит к уменьшению потерь на 92 Вт, гается за счет применения ультразвуковой которые должны рассеиваться посредством сварки для подключения медных терминалов радиатора. к подложке вместо соединительных проводов. В то же время ультразвуковая сварка позволи- Рис. 11. Установка для измерения Силовые терминалы ла улучшить охлаждение данной части прибо- параметров В первом десятилетии XXI века полупрово- ра. Площадь основания выводов на подложке дниковые чипы IGBT 3 были самыми совре- увеличена на 350% по сравнению с проводным что потери на восстановление диода более чем менными, они хорошо функционировали в не- соединением. Влияние такого решения на про- на 20% ниже, а его статические потери при давно разработанном корпусе EconoDUAL 3. изводительность модуля рассмотрим в сле- +150 °C аналогичны. Потери выключения В то же время плотность тока у новых техно- дующей главе. находятся на том же уровне, в то время как логий IGBT позволяет удвоить номинальный статические потери IGBT улучшены на 18%. ток данного прибора. Если, с одной сторо- Производительность ны, повышается производительность чипов, то с другой — силовые терминалы модуля Для оценки эффективности применения могут стать ограничивающим фактором силовых ключей в конкретном приложении с точки зрения допустимой токовой нагрузки. модули нового и предыдущего поколения были протестированы в инверторном режиме. Рис. 12. Температура силового терминала, измеренная на DC шине в месте расположения вывода Поскольку компоненты серии Black оснащены модуля. Слева: шина инвертора в месте расположения вывода. Справа: максимальная температура крышкой, которая служит частью прижимной терминала с учетом модуля конструкции DCB, измерение температуры IGBT и диода проводится с помощью термо- Рис. 13. Температура кристалла IGBT в зависимости от тока в инверторном режиме пар. Для оценки температуры силовых тер- (для условий, показанных на рис. 11) миналов модуля используется инфракрасная камера. На рис. 11 показана измерительная установка и точки подключения датчиков. Модули размещены на радиаторе с воздуш- ным охлаждением. Сопротивление затвора для FF600R12ME4_B72 составляло 1,5 Ом, а для FF600R12BE7_B11 — 0,5 Ом. Это соответствует максимальной скорости переключения IGBT в соответствии с критериями, описанными в предыдущей главе. На первом этапе темпе- ратура терминалов оценивалась при подаче постоянного тока, результаты представлены на рис. 12. Благодаря улучшенной конструкции выво- дов значительно снижена температура вну- три и снаружи модуля. Зона максимальной измеряемой температуры теперь находится на шине инвертора, а не внутри IGBT. На вто- ром этапе проводится АС-тест в условиях, по- казанных на рис. 11. Температура чипов изме- ряется с помощью термопары, расположенной в центре наиболее нагретого IGBT. Таким об- разом, результаты измерений, представленных на рис. 13, относятся к этой точке, имеющей максимальную температуру Ths. Модули новой серии Econodual 3 Black работают аналогично FF600R12ME4_B72, они способны обеспечить такой же выход- ной ток при температуре IGBT Ths = +150 °C. Уменьшение размера чипа и удаление ба- зовой платы могут быть скомпенсированы за счет оригинальной концепции модуля и новой технологии IGBT. Если система позволяет использовать режимы перегруз- ки, допустимые для IGBT 7 [3], то компо- ненты BE7_B11 превосходят предыдущее поколение на 9%. Дальнейшее повышение выходного тока модулей серии Black мо- жет быть достигнуто за счет применения термопасты с высокой теплопроводностью. Поскольку FF600R12BE7_B11 имеет значи- тельно меньшие динамические потери, чем FF600R12ME4_B72, то компоненты серии 24 www.power e.ru

Силовая электроника, № 5’2021 Силовая элементная база EconoDUAL 3 Black предпочтительнее для Новый EconoDUAL 3 сочетает передовые Литература применений с более высокой частотой пере- технологии IGBT 7 и EC7, улучшенный дизайн ключения. DCB, эффективное подключение к радиатору 1. AN2012-07, Module with pre-applied thermal и продуманный выбор материалов, при этом interface material. www.infineon.com/dgdl/ Заключение в нем используется меньше частей и меньше Infineon-AN2012_07_Modules_with_pre_ меди по сравнению с предыдущим поколением. applied_Thermal_Interface_Material-AN- Модули серии EconoDUAL 3 Black отлича- Новые модули позволяют обеспечить хорошо v02_01-EN.pdf?fileId=db3a30433af3614c013 ются большим количеством новых возмож- известную высокую производительность ED3 af3c70cf10025 ностей, отвечающих последним требованиям или даже превзойти ее в зависимости от усло- рынка, и сохраняют при этом положительные вий применения. Все внедренные улучшения 2. Baurichter J. et al. Higher output performance свойства конструктива EconoDUAL 3. Новый соответствуют современным тенденциям в ча- despite chip shrinkage: New FF600R12ME7_ прибор предназначен для высокоточного пози- сти сбережения ресурсов и безопасности. Кроме B11 outperforms former generation, PCIM ционирования, то есть для полностью автомати- того, применение этих компонентов обеспечи- Europe. Nuremberg, Germany, 2021. зированного производства инверторов. В то же вает производителям инверторов экономиче- время он обеспечивает уровень надежности, до- ские преимущества, выражающиеся в лучшем 3. Vogel K. et al. New, best-in-class 900-A 1200-V пускающий любой вариант ручной сборки. соотношении цены и эффективности. EconoDUAL 3 with IGBT 7: highest power density and performance, PCIM Europe. Nuremberg, Germany, 2019. Не требующие принудительного охлаждения бескорпусные блоки питания COSEL с пиковой мощностью до 200% Компания COSEL Co, Ltd анонсировала источники питания, не требую- способным выдерживать длительные пиковые нагрузки. Использованное щие принудительного охлаждения, мощностью 150 и 300 Вт — LHP150F схемотехническое решение позволяет LHP150F и LHP300F при пиковой и LHP300F. Для охлаждения новых устройств достаточно естественной кон- нагрузке выдавать до 200% номинальной мощности в течение 10 с. Так, векции. Разработанные для промышленных приложений, где необходим версия LHP150F с выходом 24 В обеспечивает номинальный рабочий ток высокий уровень безопасности, блоки питания LHP150F и LHP300F серти- 6,3 А с пиковым значением до 12,6 А. Такое же соотношение применяется фицированы в соответствии со стандартом EN62477-1 (OVC III). Оба блока ко всем версиям блоков питания LHP150F и LHP300F. питания работают в широком универсальном диапазоне входного напря- Для снижения гармонических искажений тока в блоках питания LHP150F жения 85–264 В переменного тока и имеют высокий типовой КПД на уровне и LHP300F используется активный корректор коэффициента мощности (ККМ), 93%. Блоки питания LHP150F и LHP300F доступны с пятью различными а в каскаде переключения — резонансная топология LLC (индуктивность- выходными напряжениями, обычно используемыми в промышленной ав- индуктивность-емкость) в сочетании с силовыми полупроводниками послед- томатизации и производственном и технологическом оборудовании. Они него поколения, что обеспечивает типичный КПД блоков питания до 94%. способны нормально функционировать с максимальной пиковой мощно- Оптимизированные для конвекционного охлаждения, блоки питания могут стью 200% до 10 с, что позволяет использовать предлагаемые устройства работать в диапазоне температур окружающей среды –10…+70 °С. В за- для питания динамических нагрузок. Оба БП представляют собой печатную висимости от варианта сборки (корпусирования) и вентиляции конечного плату в бескорпусном исполнении, шасси и крышка доступны в качестве оборудования может применяться снижение номинальных характеристик, опции. как указано в технической документации. Блоки питания LHP150F и LHP300F сертифицированы по третьей категории Модель LHP150F в бескорпусном (полностью открытом) исполнении имеет перенапряжения EN62477-1 (OVC III). Это означает, что конечное оборудо- размеры 75×27×160 мм (2,95×1,07×6,30 дюйма) и максимальный вес 320 г, вание, питаемое от блоков питания данной серии, может быть подключено а блок питания LHP300F имеет размеры 84×37×180 мм (3,31×1,46×7,09 дюй- непосредственно к главной распределительной панели без дополнительного ма) и вес не более 580 г. уровня изоляции. Их использование упрощает задачу разработчика системы, LHP150F и LHP300F имеют изоляцию входа и выхода с электрической проч- снижает затраты, гарантируя при этом высокий уровень эффективности. ностью на 3000 В напряжения переменного тока, входа на «землю» (FG) — Разработанные для самого широкого круга применений, блоки питания 2000 В переменного тока и выхода на «землю» (FG) — 500 В переменного LHP150F и LHP300F рассчитаны на диапазон входного напряжения 85–264 В тока. Блоки питания также оснащены встроенными схемами защиты от переменного тока. Что касается выходного напряжения, доступно пять вы- пусковых тока, перегрузки по току и перенапряжения. ходных напряжений 24, 30, 36, 42 и 48 В с соответствующим выходным Оба блока питания соответствуют требованиям безопасности UL (США), током 6,3; 5,0; 4,2; 3,6 и 3,2 А для варианта LHP150F и 12,5; 10,0; 8,4; 7,2 C-UL (Канада), DEMKO (Дания) и TÜV (Германия). Продукция сертифи- и 6,3 A для варианта LHP300F. Выходное напряжение можно дополнительно цирована по UL62368-1, C-UL (эквивалент CAN/CSA-C22.2 № 62368-1), регулировать с помощью встроенного потенциометра. EN62368-1, EN62477-1 (OVC III). Блоки питания LHP150F и LHP300F также Кроме безопасности, промышленные приложения часто требуют более соответствуют требованиям DEN-AN. высокого тока во время запуска или при подключении нагрузки, например При широкой универсальности новинок было уделено и должное внимание емкостной. деталям обоих устройств. Для соответствия требованиям конкретного при- С этой целью в блоках питания LHP150F и LHP300F предусмотрено эф- ложения заказчикам доступен ряд опций, включая покрытие (C), низкий фективное управление сбросом/набросом нагрузки и силовым каскадом, ток утечки (G), тип разъема EP (J4), дистанционное включение/выключение (R), шасси (S), корпус и крышку (SN), тип клеммной колодки (T), разъем для внешней батареи конденсаторов (U1), выходной 8-контактный разъем (только LHP300) (J5), вставной клеммный блок (T4) и встроенный предо- хранитель в выходной цепи напряжения постоянного тока. Серии LHP150F и LHP300F имеют пятилетнюю гарантию и соответствуют европейским директивам RoHS, REACH и Low Voltage Directive (Директива по низковольтному оборудованию). www.macrogroup.ru www.power e.ru 25

Силовая электроника, № 5’2021 Силовая элементная база Высокоэффективные силовые модули на основе SiC для широкого спектра применений В настоящее время силовые транзисторные модули на основе карбида кремния (SiC) находят все более широкое применение там, где требуется повышенный КПД преобразователя или снижение его массогабаритных показателей. Диапазон мощности таких применений весьма разнообразен: от бытовых кондиционеров и зарядных устройств до промышленных и даже тяговых железнодорожных приводов. В статье приводится актуальная информация о последних разработках компании «Мицубиси Электрик» в области SiC широкого диапазона рабочих напряжений и мощностей в контексте использования модулей в различных применениях. Рене Спенке Введение собности кристаллы на основе SiC будут иметь мень- (Rene' Spenke) шую толщину, а значит, и меньшее электрическое Снижение выбросов углекислого газа и более ра- сопротивление (потери проводимости). Нилс Солтау циональное использование электроэнергии — это (Nils Soltau) сегодняшние тенденции, все прочнее закрепляю- Более того, благодаря широкой запрещенной щиеся в современном обществе. Появление такого зоне высоковольтные транзисторы на основе кар- Тору Матсуока полупроводникового материала, как карбид кремния бида кремния с блокирующим напряжением вплоть (Toru Matsuoka) (SiC) с его уникальными физическими свойствами, до 6500 В могут иметь не привычную IGBT-структуру, отлично удовлетворяет данным стремлениям с точки а полевую MOSFET. За счет высокой скорости пере- Виктор Толстопятов зрения снижения энергопотребления и минимиза- ключения полевые транзисторы имеют низкие по- ции габаритов преобразователей (уменьшение ко- тери при переключении и позволяют существенно [email protected] личества деталей и материалов). увеличить частоту коммутации. В большинстве применений повышение частоты работы силового Главное отличие полупроводников (п/п) на основе преобразователя позволяет увеличить плотность SiC от классических кремниевых устройств — боль- мощности прочих компонентов: фильтров, транс- шая ширина запрещенной зоны. Это позволяет до- форматоров, двигателей. Другими словами, силовые стичь 10-кратного увеличения напряженности элек- преобразователи с использованием SiC становятся трического поля в SiC-кристаллах. Соответственно, компактнее. для обеспечения одной и той же блокирующей спо- С 1990 года компания «Мицубиси Электрик» нако- пила обширный опыт в области производства и при- менения силовых модулей на основе SiC. Сегодня модули на основе карбида кремния успешно выхо- дят из области технологического ноу-хау и получа- ют все более широкое распространение в реальных применениях, начиная от бытовых кондиционеров и источников питания и заканчивая мощными про- мышленными преобразователями и даже тяговыми ж/д приводами. Требования к SiC-модулям также разнятся в зависимости от применения, основные из них приведены в данной статье. Рис. 1. Структура SiC MOSFET чипа второго Главный компонент: поколения новое поколение SiC кристаллов 26 В актуальной линейке карбид-кремниевых мо- дулей «Мицубиси Электрик» используется второе поколение SiC-кристаллов, выпускаемых по новой технологии на шестидюймовых пластинах. Как по- www.power e.ru

Силовая электроника, № 5’2021 Силовая элементная база Рис. 2. Влияние новой технологии легирования области JFET на сопротивление Ron,sp казано на рис. 1, второе поколение SiC имеет Рис. 3. Сравнение планарной и траншейной структуры различных SiC MOSFET чипов улучшенную планарную MOSFET-структуру. Специальная технология легирования N-серия в трехвыводном корпусе N-серия в четырехвыводном корпусе JFET-области способствует существенному (ТО-247-3) (ТО-247-4) снижению прямого сопротивления Ron,sp (рис. 2) до уровня последних поколений чи- Рис. 4. Дискретные SiC транзисторы и диоды N серии на 1200 В пов с траншейным затвором (рис. 3). Более того, легирование JFET-области уменьшает что делает возможным их использование на 1200 В с низким сопротивлением обла- проходную емкость кристалла Crss, опре- в электротранспорте. деляющую скорость переключения SiC- сти дрейфа (Rdrift). Но другой значительной прибора. Меньшая Crss увеличивает частоту Благодаря низким коммутационным по- частью удельного сопротивления MOSFET- переключения, а также улучшает стойкость терям N-серия SiC-транзисторов оптималь- чипа к паразитному включению, как будет на, к примеру, для применения в источниках транзистора является сопротивление акку- описано далее. питания, что позволяет уменьшить размеры или вовсе исключить из схемы часть пассив- мулирующего слоя JFET в его структуре. Дискретные SiC приборы ных элементов (трансформаторов, дросселей) для зарядных устройств за счет увеличения частоты переключения. За счет новой технологии легирования об- электротранспорта, кондиционеров Основные характеристики ласти JFET в SiC-кристаллах второго поко- и тепловых насосов Второе поколение SiC MOSFET-кристаллов ления удельное сопротивление JFET было Основными требованиями к силовым клю- «Мицубиси Электрик» имеет планарную чам для таких применений, как зарядные структуру с легированием области JFET. также снижено. устройства электротранспорта, кондицио- У этой технологии есть ряд преимуществ неры и тепловые насосы, являются хорошая перед предыдущим поколением SiC. Так, Еще одна из важнейших характеристик доступность на рынке, универсальный взаи- хорошо известно, что за счет высокого на- мозаменяемый с другими производителями пряжения пробоя карбида кремния стало MOSFET-транзистора, определяющих харак- корпус, а также рабочий номинальный ток возможным создание MOSFET-транзисторов до 100 А. Для данных применений компанией теристики его переключения, — соотношение разработана N-серия дискретных приборов в корпусе TO-247 на 1200 В с использова- входной емкости (Ciss) к проходной емкости нием SiC-кристаллов второго поколения [1, (емкости Миллера, Crss). Включение рабоче- 2]. Данный тип корпусов по-прежнему вос- го тока транзистора нижнего плеча Q2 ведет требован во многих применениях низкой и средней мощности благодаря своей универ- к высокому dV/dt в транзисторе верхнего сальности: одиночные транзисторы и диоды позволяют собрать преобразователь любой плеча Q1 (рис. 5). В результате ток затвора Ig топологии. За счет простой конструкции начинает течь в затвор транзистора Q1 через корпуса TO-247 (рис. 4) и больших объемов производства дискретные SiC-компоненты емкость Миллера (Crss). Если падение напря- наиболее доступны с точки зрения цены. жения, вызванное данным током, превысит Помимо трехвыводных корпусов, в линей- ке предлагаются четырехвыводные корпуса Таблица 1. Линейка дискретных SiC транзисторов «Мицубиси Электрик» N серии TO-247, потери на переключение в которых снижены на 30% [3]. В таблице 1 показана Модель BM080N120S(J) BM040N120S(J) BM022N120S(J) линейка дискретных MOSFET-транзисторов на основе SiC. Помимо типовых выходных VDC, В 80 1200 22 тестов при производстве, ряд транзисторов RDS(on), мОм 38 40 102 сертифицирован по стандарту AEQ-Q101, ID, max@25, А 68 Корпус TO-247-3 Размер, мм 15,9 41 5 www.power e.ru 27

Силовая электроника, № 5’2021 Силовая элементная база Чтобы оптимизировать оба параметра, ком- пания «Мицубиси Электрик» разработала так называемую JBSD-структуру (Junction Barrier Schottky Diode), в которой в дополнение к барьеру Шоттки параллельно добавлен p-n- переход, стойкий к большим ударным токам (рис. 6, 7). Линейка диодов включает прибо- ры на 600 и 1200 В с номинальными токами 10 и 20 А в различных дискретных корпусах: TO-247, TO-220FP-2, TO-263S [4]. Рис. 5. Эффект паразитного включения верхнего транзистора Увеличение эффективности кондиционеров пороговое напряжение Vgs(th), произойдет ется сопротивление RDS(on), указываемое при паразитное открытие верхнего транзистора температуре Tj = +25 °C. Однако в реальных за счет использования Q1 и, соответственно, короткое замыкание. условиях использования температура пере- SiC DIPIPM модулей При этом величина тока Ig пропорциональна Crss и dV/dt. За счет уменьшения параметра Crss, хода Tj достигает +100 °C и выше, при этом Для инверторов небольшой мощности результирующее произведение сопротивления сопротивление RDS(on) растет. Для N-серии компания «Мицубиси Электрик» представи- транзистора на заряд затвор-стока составило транзисторов «Мицубиси Электрик» данный ла карбид-кремниевые модули DIPIPM (ин- 1450 мОм·нКл. Это увеличивает стойкость теллектуальный силовой модуль в корпусе к паразитному включению (приблизитель- эффект слабо выражен, и рост сопротивления DIP) с блокирующим напряжением 600 В но в 14 раз) в сравнении с обычными SiC и номинальным током 15 и 25 А. Данные ин- MOSFET. Таким образом, одновременно до- составляет лишь около 10% при повышении теллектуальные устройства имеют в одном стигается быстрая скорость переключения корпусе шесть транзисторов с антипарал- и низкое сопротивление канала. температуры перехода до +100 °C. Это снижает лельными диодами (трехфазный мост), а также интегральные схемы драйверов Ключевым параметром в спецификации потери проводимости в преобразователе и по- для их управления (рис. 8). Под «интеллек- дискретных SiC MOSFET-транзисторов явля- туальными» функциями в данном случае зволяет увеличить его выходную мощность, понимаются системы защиты, которыми обладает модуль: защита от КЗ, защита используя транзисторы c тем же показателем от перегрева, а также защита от просад- ки питающего напряжения. Как показано RDS(on). на рис. 9, модули выполнены по технологии В дополнение к карбид-кремниевым монолитного корпуса (Transfer Molding), которая позволяет повысить продуктив- MOSFET-транзисторам N-серии компания ность и стойкость модуля к агрессивной внешней среде. Выигрыш за счет исполь- «Мицубиси Электрик» также выпустила на ры- зования SiC-кристаллов особенно заметен в применениях с графиком работы «24×7», нок линейку соответствующих диодов Шоттки таких как кондиционеры или насосы. На рис. 10 сравнивается классический крем- (SBD — Schottky-Barrier Diode). Обычно диоды ниевый модуль с аналогичным SiC. Видно, что снижение потерь в модуле составляет Шоттки имеют более низкое прямое падение порядка 70% при тех же условиях. напряжения VF в сравнении с классическими SiC модули для ИБП, станций биполярными диодами. Однако при разработ- быстрой зарядки ке кристалла диода всегда существует баланс и преобразователей для возобновляемой энергетики между низким прямым падением напряжения Такие применения, как ИБП, стан- VF и стойкостью к ударному прямому току. ции быстрой зарядки и преобразователи Рис. 6. Структура диода JBSD Рис. 7. Сравнение характеристик диода Рис. 8. Функциональная схема SiC модуля Рис. 9. Интеллектуальный SiC модуль Super (падение напряжения VF и максимальный Super Mini DIPIPM Mini DIPIPM со встроенным драйвером прямой ток IFSM) www.power e.ru 28

Силовая электроника, № 5’2021 Силовая элементная база для возобновляемой энергетики, обыч- Рис. 10. Сравнение потерь в DIPIPM модулях (Vcc = 300 В, fc = 15 кГц, Io = 1,5 А, Tj = +125 °C) но требуют бóльших выходных токов, чем в случаях, которые обсуждались 1200 В/600 А, 800 А чоппер 1200 В/200 А 4 в 1 ранее. Специально для таких примене- 1700 В/ 300 А 2 в 1, чоппер Встроенная функция RTC ний «Мицубиси Электрик» расширила Встроенная функция RTC линейку модулей на базе SiC-чипов второ- го поколения, добавив к существующим 1200 В/1200 А 2 в 1 1200 В/400 А 4 в 1 модулям на 1200 В устройства на 1700 В Встроенная функция RTC 1200 В/ 800 А 2 в 1 с рабочим током до 1200 А [5]. Как показано на рис. 11, второе поколение SiC-модулей Рис. 11. Внешний вид общепромышленных SiC модулей второго поколения имеет те же корпуса, что и первая генера- ция, позволяя заказчикам заменить силовые модули без изменения дизайна преобразова- теля. Полная линейка модулей представлена в таблице 2. Основные особенности Имея размеры корпуса 122×76,9 мм, под- ложка SiC-модулей в точности повторяет геометрию модулей серии NX. Однако для снижения внутренней паразитной индук- тивности модуля расположение силовых выводов устройства было изменено. Это позволило получить максимально низ- кие коммутационные потери и перена- пряжения. Помимо этого, конструкция основания модулей и схема расположения MOSFET- и SBD-чипов были оптимизиро- ваны для лучшего распределения тепла по подложке. За счет технологии легирования области JFET, описанной ранее, второе поколение SiC- модулей имеет существенно меньшие потери: в сравнении с первым поколением снижены как потери проводимости, так и динамические потери [6]. Разработанная компанией «Мицубиси Электрик» функция контроля в реальном времени RTC (Real-Time Control) упрощает схему защиты модуля от короткого замыка- ния. Создание схемы защиты от КЗ является нетривиальной задачей при переходе с IGBT на SiC MOSFET, поскольку стандартный ме- тод, выявляющий выход транзистора из на- сыщения, к последним не применим. Для преодоления данного ограничения система RTC детектирует ток КЗ с помощью датчи- ка тока, встроенного непосредственно в чип MOSFET. В случае обнаружения КЗ управ- ляющее напряжение затвора автоматически понижается для ограничения тока и увели- чения максимального времени до перегрева кристаллов, за которое драйвер может среа- гировать на сигнал ошибки от RTC и отклю- чить ток (рис. 12). Высоковольтные SiC модули Таблица 2. Линейка общепромышленных SiC модулей второго поколения для железнодорожных и сетевых применений Модель Напряжение, В Ток, А Топология Защита RTC Размеры, мм 121,7 92,3 В таких применениях, как высокоскорост- FMF400BX-24B 400 4 в 1 ные поезда, SiC-модули позволяют построить FMF800DX-24B Нет 122 79,6 более эффективную и компактную систему тягового привода. К примеру, в высокоско- 800 2 в 1 122 152 ростных поездах «Шинкансен» (Shinkansen) 122 79,6 тяговый привод на основе SiC имеет на 20% FMF300BXZ-24B 300 4в1 меньшую массу, что позволяет оптимизиро- 29 вать конструкцию вагона. Помимо снижения FMF400BXZ-24B 1200 400 массы за счет сокращения потерь при переходе FMF600DXZ-24B 600 www.power e.ru FMF800DXZ-24B 800 2в1 Да FMF1200DXZ-24B 1200 FMF300DXZ-34B 1700 300 FMF300E3XZ-34B Чоппер

Силовая электроника, № 5’2021 Силовая элементная база Рис. 12. Эффективное отключение КЗ системой RTC, встроенной в модуль размеры пассивных компонентов: трансфор- маторов, дросселей, конденсаторов. Более на SiC-система охлаждения инвертора была еще более существенным за счет увеличения того, с высокочастотной ШИМ обычно воз- также уменьшена — итоговый размер тяго- частоты переключения. Большая частота можно использование других, магнитомяг- вого инвертора составил лишь 50% от перво- ШИМ, как правило, позволяет уменьшить ких сердечников. Это также дает широкий начального [7]. потенциал к увеличению КПД и снижению стоимости [8, 9]. Кроме тяговых инверторов, при переходе на SiC выигрыш в потерях преобразователей Помимо больших значений номинального собственных нужд (ПСН), зарядок для бата- тока и напряжения силовых модулей, такие рей и DC/DС-преобразователей становится применения как ж/д транспорт и электроэ- нергетика, требуют от приборов высокой производительности и надежности. Компания «Мицубиси Электрик» вывела на рынок SiC- модули напряжением до 3,3 кВ транспортно- го исполнения, специально предназначенные для таких применений. Уже в 2015 году в се- рийно выпускаемые высокоскоростные по- езда начали устанавливаться полные силовые SiC-модули (транзистор и обратный диод на базе карбида кремния) [10]. Таким обра- зом, надежность данных приборов проверена в реальной эксплуатации по меньшей мере в течение пяти лет. «Мицубиси Электрик» выпускает новые модули 3,3 кВ класса напряжения в корпусах LV100 (рис. 13). В данном классе напряжения доступны модули двух номиналов тока: 375 и 750 А (рис. 14). Помимо полных SiC-модулей с чипами диодов и транзисторов на основе карбида кремния, в линейке компании есть и ги- бридные модули. В корпусе LV100 выпу- скается гибридный модуль на 3,3 кВ но- минальным током 600 А. Данный прибор сочетает кремниевый IGBT-чип новейшего поколения (серия X) с SiC-диодом. В отли- чие от кремниевого данный диод не имеет процесса обратного восстановления как та- кового, за счет чего динамические потери в нем значительно меньше. Более того, ди- намические потери в IGBT также снижены в связи с отсутствием выброса тока обрат- ного восстановления. Как видно на рис. 15, потери на включение Eon в транзисторе со- кращены на 38%. Это делает возможным увеличение частоты переключения для Рис. 13. SiC модуль транспортного Рис. 14. Линейка Si и SiC модулей на 3300 В в корпусах LV100 исполнения на 3300 В в корпусе LV100 www.power e.ru с изоляцией 6 кВ 30

Силовая электроника, № 5’2021 Силовая элементная база Рис. 15. Сравнение осциллограмм включения Si , гибридного SiC и Full SiC модулей (Vcc =1800 В, Ic = 600 А, Tj =+150 °C, Ls = 65 нГн) Рис. 17. Full SiC модуль на 6500 В в корпусе HV100 с изоляцией 10,2 кВ Рис. 16. Структура классического MOSFET чипа и MOSFET со встроенным SBD параметров силовых модулей. Одно из направлений исследований — техно- данного модуля (до порядка 2 кГц). В слу- Кроме существующих решений на базе логия объединения кристалла обратно- чае же если необходима еще более высокая карбида кремния, «Мицубиси Электрик» го диода Шоттки с MOSFET-структурой. частота и меньшие потери, то отличным ведет активную разработку новых SiC- Обычно антипараллельный диод исполь- выбором будет Full-SiC-модуль. чипов для дальнейшего улучшения зуется для предотвращения протекания обратного тока через паразитный диод MOSFET-структуры, что позволяет избе- Рис. 18. Сравнение динамических потерь в Si IGBT (+150 °C), SiC MOSFET (+175 °C) и SiC MOSFET со встроенным SBD (+175 °C) 31 www.power e.ru

Силовая электроника, № 5’2021 Силовая элементная база жать появления в ней дефектов упаковки. Литература 9. Wu D., Xiao C., Zhang H., Liang W. В следующих поколениях SiC-модулей дио- Development of auxiliary converter based ды Шоттки будут интегрированы непосред- 1. Mitsubishi Electric to Launch N-series 1200 V on 1700V/325A full SiC MOSFET for urban ственно в SiC MOSFET-транзистор (рис. 16). SiC-MOSFET. Mitsubishi Electric Press Release rail transit vehicles. IEEE Transportation Помимо отсутствия дефектов упаковки, та- No. 3361. Japan, 2020. Electrification Conference and Expo, кое решение снижает и динамические по- Asia-Pacific (ITEC Asia-Pacific). Harbin, тери [11, 12]. 2. Толстопятов В. А. «Мицубиси Электрик» за- 2017. пускает производство дискретных SiC-дио- Технология встроенного в транзистор диода дов и транзисторов в корпусах TO-247 // 10. Mitsubishi Electric Installs Railcar Traction Шоттки используется и в прототипе Full-SiC- Силовая электроника. 2020. №.6 System with All-SiC Power Modules on модуля на 6,5 кВ [13]. Данный концепт выпол- Shinkasen Bullet Train. Mitsubishi Electric нен в корпусе HV100 (рис. 17) и имеет номи- 3. Mitsubishi Electric to Launch 4-terminal Press Release No. 2942. Japan, 2015. нальный ток 400 А. Как видно на рис. 18, ди- N-series 1200V SiC-MOSFETs. Mitsubishi намические потери в этом модуле составляют Electric Press Release No. 3382. Japan, 11. Tominaga T., Hino S., Mitsui Y., Nakashima J., лишь 1/10 от аналогичного кремниевого IGBT- 2020. Kawahara K., Tomohisa S., Miura N. Superior модуля. Это дает SiC-модулям на 6,5 кВ огром- Switching Characteristics of SiCMOSFET ный потенциал в применениях с высокой ча- 4. Mitsubishi Electric to Launch 1200V SiC Embedding SBD. 31st International стотой переключения. Schottky Barrier Diode. Mitsubishi Electric Symposium on Power Semiconductor Devices Press Release No. 3272. Japan, 2019. & ICs. Shanghai, China, 2019. Вывод 5. Толстопятов В. А., Солтау Н., Таль Э. Новые 12. Murakami T., Sadamatsu K., Imaizumi M., В статье показаны новейшие силовые карбид-кремниевые модули на кристаллах Suekawa E., Hino S. Comparative study of модули компании «Мицубиси Электрик» второго поколения // Силовая электроника. electrical characteristics between conventional на основе карбида кремния в широком диа- 2019. № 4. and SBD-embedded MOSFETs for next пазоне блокирующих напряжений и номи- generation 3.3 kV SiC modules. International нальных токов, рассчитанные на примене- 6. Soltau N., Thal E., Matsuoka T. The Next Exhibition and Conference for Power ния в большом спектре мощностей. Описаны Generation of SiC Power Modules // Bodo's Electronics, Intelligent Motion, Renewable основные характеристики новейших по- Power Systems. September 2019. Energy and Energy Management (PCIM). колений SiC, а также технологии, исполь- Germany, 2020. зуемые при создании карбид-кремниевых 7. Sato K., Kato H., Fukushima T. Development кристаллов. Преобразователи на базе SiC of SiC Applied Traction System for Shinkansen 13. Nakashima J. et. al. 6.5-kV Full-SiC Power обеспечивают более высокую эффектив- High-speed Train. International Power Module (HV100) with SBD-embedded SiC- ность, а также лучшие массогабаритные пока- Electronics Conference (IPEC-Niigata, ECCE MOSFETs. International Exhibition and затели. Asia, 2018). Niigata, 2018. Conference for Power Electronics, Intelligent Motion, Renewable Energy and Energy 8. Helsper M., Ocklenburg M. SiC MOSFET Based Management (PCIM Europe). Germany, Auxiliary Power Supply for Rail Vehicles. 20th 2018. European Conference on Power Electronics and Applications (EPE'18 ECCE Europe). Riga, 2018. Первое семейство силовых модулей без базовых плат от Microchip по авиакосмическим стандартам Компания Microchip Technology анонсирует первые в отрасли силовые мо- интегрированной технологии силовых карбидокремниевых полупро- дули без базовых плат, предназначенные для авиакосмической отрасли, ко- водников. торые позволяют повысить эффективность и уменьшить массогабаритные Благодаря модифицированной подложке новые изделия стали на 40% легче показатели систем преобразования мощности и управления электроприво- других силовых модулей, а производственные расходы сократились примерно дами. Эти модули были разработаны совместно с консорциумом Clean Sky — на 10% по сравнению со стандартными модулями с металлическими базовыми государственно-частным партнерством между Европейской комиссией платами. Модули BL1, BL2 и BL3 соответствуют всем требованиям по механике и европейской авиакосмической отраслью. и закона об охране окружающей среды, изложенным в RTCA DO-160G «Усло- Силовые модули BL1, BL2 и BL3 отвечают жестким требованиям авиа- вия эксплуатации и окружающей среды для бортового авиационного оборудо- космической отрасли к выхлопным газам, позволяя к 2050 году исклю- вания. Требования, нормы и методы испытаний», версия G (август 2010 г.). чить вредное влияние авиации на климат, обеспечивают более высокую Новинки выпускаются в низкопрофильных корпусах с малой индуктив- эффективность AC/DC- и DC/AC-преобразования и генерации за счет ностью, с силовыми и сигнальными разъемами, которые припаиваются непосредственно к печатным платам, что ускоряет разработку и повышает надежность. Одинаковая высота модулей этого семейства позволяет уста- навливать их параллельно или использовать в виде трехфазного моста и в других топологиях для повышения эффективности силовых преоб- разователей и инверторов. В состав новых модулей входят SiC MOSFET и диоды Шоттки, максимально повышающие эффективность системы. Корпуса модулей BL1, BL2 и BL3, рассчитанные на мощность в диапазоне 100 Вт — 10 кВт и более, предназна- чены для работы в разных топологиях, к которым относятся фазное плечо, полный и асимметричный мосты, повышающая, понижающая топология и конфигурация с двойным общим истоком. Эти высоконадежные сило- вые модули рассчитаны на эксплуатацию с 600–1200 В SiC MOSFET и IGBT, а также с выпрямительными диодами до 1600 В. www.microchip.com 32 www.power e.ru

реклама

Силовая электроника, № 5’2021 Силовая элементная база Седьмое поколение IGBT в трехуровневых преобразователях. Часть 2 Статья продолжает тему, начатую в «Силовой электронике» № 4’2021. Принцип работы многоуровневой схемы прост: модули или инверторные ячейки соединяются последовательно, за счет этого напряжение питания устройства может быть выше блокирующей способности отдельных ключей. Подобное решение позволяет формировать «многоступенчатый» выходной сигнал, снизить уровень гармонических искажений и отказаться от дорогостоящих и громоздких выходных фильтров. Иохим Ламп Введение солнечных энергетических станций, что вызвано высо- (Joachim Lamp) кими требованиями по КПД и качеству выходного сиг- Типовые схемы 2L- и 3L-инверторов приведены нала данных устройств. Снижение уровня гармониче- Перевод и комментарии: на рис. 1. В первом случае выходное напряжение мо- ских искажений достигается за счет увеличения частоты Андрей Колпаков жет принимать только два значения, равные по ам- коммутации fsw, что в свою очередь ведет к росту дина- плитуде –VDC или +VDC. Топология 3L позволяет мических потерь. Многоуровневая схема позволяет при [email protected] сформировать сигнал, каждая из полуволн которого относительно малом значении fsw решить эту проблему состоит из трех уровней (0, ±VDC/2, ±VDC). и, кроме того, уменьшить требования к синусоидаль- ному фильтру, габариты и стоимость которого вносят Трехуровневые преобразователи используются в ис- существенный вклад в показатели всего изделия. точниках бесперебойного питания (UPS) и инверторах Рис. 1. Схемы двухуровневого и трехуровневого трехфазного инвертора. Оба устройства работают в режиме модуляции частоты и напряжения 34 www.power e.ru

Силовая электроника, № 5’2021 Силовая элементная база Поскольку в фазной цепи коммутации (порог устанавливается пользователем), IGBT ля) находятся на расстоянии 20 мм. На плате трехуровневой схемы участвуют четыре полу- немедленно отключается и драйвер выдает со- предусмотрена возможность подбора резисто- проводниковых ключа, потери проводимости общение об ошибке. ров затвора, настройки напряжения ограни- данной схемы несколько выше, чем у тради- чения и регулировки порогов схемы защиты. ционной двухуровневой. Однако существен- В режиме MLI логика управления сигна- Гербер-файл для самостоятельного изготовле- ное снижение потерь переключения позволя- лами неисправности настраивается с помо- ния адаптера можно запросить в офисе техни- ет уменьшить общее значение рассеиваемой щью резисторов, установленных в SKYPER ческой поддержки SEMIKRON. мощности примерно на 40%, и это достоин- 42. Драйвер может генерировать сообщение ство особенно ярко проявляется на высоких об ошибке во вторичном каскаде, но не бло- Блок схема и электрические частотах. кировать IGBT. При этом он не реагирует характеристики на внешний сигнал ошибки и остается в ис- Компания SEMIKRON выпускает широкую ходном состоянии до тех пор, пока не будет Блок-схема устройства (рис. 4) состоит гамму трехуровневых модулей в конфигура- выключен по входу ШИМ. Подробно этот во- из двух частей: голубым цветом выделена плата ции MLI. В мощных «центральных» преобра- прос рассмотрен далее. с разъемами для SKYPER42 LJ (зеленые прямо- зователях солнечных станций (750 кВт и более) угольники), резисторами затворов, цепью огра- могут использоваться модули SEMITRANS 10 Адаптер SEMITRANS 10 MLI M7 ничения, схемой термозащиты и мониторинга MLI в конструктиве PrimePack. Для управле- Driver Board VCEsat. Силовые модули трехуровневого сило- ния ими предназначен адаптер SEMITRANS 10 вого каскада выделены красным цветом. MLI Driver Board, способный работать в трех- Адаптер SEMITRANS 10 MLI M7 предназна- уровневом инверторе с «разделенной» схе- чен для управления модулями фазной стойки В соответствии с техническими требова- мой (Split MLI, рис. 2) при напряжении DC- трехфазного инвертора: SKM1400 MLI 12TM7 ниями плата SEMITRANS 10 MLI Driver Board шины до 1500 В на частоте до 30 кГц. Верхняя (верхняя половина) и SKM1400 MLI 12BM7 предназначена для работы в следующих пре- и нижняя части стойки инвертора построены (нижняя половина). Оба ключа созданы с при- дельных режимах: на модулях 12-го класса с номинальным током менением чипов IGBT 7 с рабочим напряжени- • напряжение DC-шины: VDCmax = 1500 В 1200 А. ем 1200 В и номинальным током 1400 А. (не более 750 В на каждую «половину» звена С появлением нового поколения IGBT Gen.7 По сравнению с компонентами, выпол- постоянного тока); возникла потребность в разработке адаптиро- ненными по технологии Trench 4 (SKM1200 • выходное (линейное) напряжение: ванной версии адаптерной платы, которая по- MLI12TE4 и SKM1200 MLI12BE4), модули VАСmax = 1000 В; лучила название SEMITRANS 10 MLI М7 Driver 7-го поколения вместо датчика температуры • частота коммутации: fsw = 30 кГц; Board. На плате управления установлено два на транзисторе T3 имеют дополнительный сиг- • температура окружающей среды: стандартных драйвера SKYPER42 LJ, один кон- нальный вывод коллектора. Соответственно, Ta = 0...+40°C; тролирует ключи T1 и T2, другой — T3 и T4. измерение температуры производится толь- • сравнительный индекс трекинга: CTI > 175 Схема защиты анализирует напряжение насы- ко на IGBT T1. Это самый мощный на рынке Электрическая изоляция между пользо- щения всех четырех IGBT (T1–T4) и сигналы трехуровневый модуль в корпусе SEMITRANS вательским интерфейсом (входной каскад) с встроенных в модули термодатчиков. Выход 10 (PrimePack). Используемое в адаптере ядро и высоковольтными цепями (выходной ка- из насыщения приводит к мгновенному отклю- драйвера SKYPER 42 LJ PV (L5073102) спо- скад) обеспечивается драйвером SKYPE42 LJ. чению соответствующего IGBT и формирова- собно работать при напряжении DC-шины Изоляционный зазор по поверхности платы со- нию сигнала ошибки. Наличие цепи активного до 1500 В, пиковый выходной ток составляет ставляет 30 мм, по диэлектрику — 29 мм (между ограничения позволяет безопасно блокировать 35 А. первичным и вторичным каскадом). Размеры IGBT в любой момент времени без соблюдения устройства с учетом SKYPER42 LJ — определенной последовательности. На плате SEMITRANS 10 MLI М7 Driver 193,3×178×28,5 мм. Board (номер для заказа 45157901) установ- Для надежной фиксации драйверов SKYPER В случае если сигнал встроенного датчика лены резисторы затворов, схема активного 42 LJ PV на плате адаптера имеются монтаж- температуры превышает заданное значение ограничения и другие элементы настройки. ные отверстия, в которые устанавливаются Плата монтируется на сигнальные выводы мо- опорные стойки. Плата крепится к силовым MLIT DC+ дулей SEMITRANS 10, имеет коннекторы для модулям с помощью винтов M4, дополнитель- установки драйверов SKYPER42 LJ и разъем ную информацию можно найти в инструкции Верхняя T1 D1 пользовательского интерфейса. по монтажу SEMITRANS 10. «половина» Конструкция обеспечивает расстояние Схема защиты D5 между корпусами силовых ключей 4 мм, та- Встроенные NTC-датчики модулей T2 ким образом крепежные отверстия (правое SEMITRANS 10 связаны с соответствующим «верхнего» модуля и левое «нижнего» моду- D2 N AC N AC T3 D3 D6 MLIB T4 D4 аб Нижняя DC- Рис. 3. а) Сборка платы адаптера с модулями SEMITRANS 10 MLI; б) адаптер SEMITRANS10 MLI М7 «половина» Driver Board Рис. 2. Разделенная трехуровневая схема на модулях SEMITRANS 10 (MLIT и MLIB) www.power e.ru 35

Силовая электроника, № 5’2021 Силовая элементная база SEMITRANS 10 MLI M7 плата драйвера SEMITRANS 10 MLI M7 Драйвер T1 VCE ,T1 Драйвер T2 SKYPER 42 LJ PV RG,T1 T1 Цепь NTC DC+ Драйвер T3 RG,T2 NTC ограничения T1 T1 D1 Драйвер T4 ACT1,s ens e Рис. 4. Блок схема адаптера Driver Board SEMITRANS 10 MLI М7 VCE ,T2 T2 Цепь D5 D2 ACT2,s ens e ограничения T2 T2 AC AC Интерфейс VCE ,T3 N T3 T3 N D6 D3 SKYPER 42 LJ PV RG,T3 ACT3,s ens e Цепь T4 D4 RG,T4 ограничения T3 VCE ,T4 T4 DC- ACT4,sense Цепь ограничения T4 входом драйвера IGBT T1. При достижении значения (перегрузка по току или КЗ) генери- Настройка платы пороговой температуры (устанавливается руется сигнал ошибки. Ряд компонентов платы предназначен для пользователем) транзистор T1 немедлен- адаптации инвертора к условиям эксплуата- но отключается, сигнал неисправности Транзисторы Т1–Т4 защищены от опасных ции. Подборные элементы выделены цветами транслируется на вход драйвера. При этом перенапряжений схемой активного ограни- на рис. 5, их назначение описано далее. остальные IGBT также блокируются, по- чения. Порог ее включения должен быть вы- скольку выводы ERROR драйверов объе- бран ниже блокирующей способности IGBT, Термозащита динены. в то же время цепь не должна влиять на нор- Температура модулей SEMITRANS 10 из- мальную работу инвертора. При активации меряется встроенным NTC-сенсором, в случае Схема управления производит мониторинг схемы обратная связь блокирует выходной перегрева компаратор передает логический 0 напряжения насыщения VCE_sat всех четырех каскад SKYPER 12, предотвращая поступление на вход ERROR драйвера SKYPER, формирую- ключей (Т1–Т4), при достижении порогового импульсов управления на затворы IGBT. 0805 элементы уставки VCE (CCE и RCE) 4x MiniMELF / 1206 резисторы/ конденсаторы включения 5x MiniMELF / 1206 резисторы «мягкого» отключения 2x MiniMELF / 1206 резисторы «мягкого» отключения G-E SMB=диоды-супрессоры G-E резистор, G-E конденсатор R140 and R141, подключение NTC-датчика модуля к входу измерения температуры of SKYPER42 LJ R143 настройка порога перегрева R1102, R1202, R1302, R1402, прерывание цепи, если нет активного ограничения 5x SMB диод-супрессор цепи активного ограничения Конденсатор фильтра цепи Vce SKYPER 42LJ Элементы первичного каскада R10, соединение выходов сигнала ошибки двух драйверов SKYPER Рис. 5. Верхняя сторона платы, подборные элементы выделены рамками 36 www.power e.ru

Силовая электроника, № 5’2021 Силовая элементная база щего сигнал ошибки (рис. 6). Для настройки Рис. 6. Схема термозащиты с NTC сенсором порога термозащиты предназначен резистор R143 (выделен коричневой рамкой на рис. 5). 1000 900 Стандартное значение R143 составляет 332 Ом и соответствует порогу отключения +115 °С. Защиту от перегрева можно блокиро- вать, для этого резисторы R140, R141 не уста- навливаются. Выбор сопротивления R143 (типоразмер 0805) производится с помощью графика зависимости RNTC от температуры (рис. 7), где наиболее важен интервал +70… +150 °C. Подобные кривые, а также формулы для расчета даются в технических специфика- циях SEMITRANS 10. Термозащита отключает внешние IGBT Т1 или Т4 в произвольные моменты времени. Удаление R140, R141 позволяет пользователю реализовать раздельный мониторинг темпера- туры по ключам и блокировать их в безопас- ной последовательности. Резисторы затвора 800 Ом 110 120 130 140 150 1R На контактной плате монтируются затвор- 700 °С ные резисторы включения (RGon), выключения (RGoff) и мягкого выключения (Rsoft) типораз- 600 лось. Высокая скорость изменения тока di/dt мера MiniMELF или 1206. Для корректной (например, при емкостной нагрузке) может работы устройства все эти элементы должны 500 привести к образованию всплеска напряжения быть установлены. Дополнительный резистор в сигнале VCE T2 и, как следствие, к паразит- между драйвером и эмиттерами параллельных 400 ному включению схемы DESAT. Сказанное модулей снижает уровень паразитных осцил- справедливо и для IGBT T3/T4. ляций при переключении. 300 Схема контроля ошибки Для монтажа RGon предусмотрено четыре 200 SKYPER 42 LJ PV посадочных места (голубая рамка на рис. 5), RGoff — пять посадочных мест (оранжевая рам- 100 Сопротивление R10 (0805, выделено пун- ка на рис. 5), Rsoft — два посадочных места (зе- ктирной фиолетовой рамкой на рис. 5) леная рамка на рис. 5). При выборе номиналов 0 необходимо учитывать не только тип и режи- 70 80 90 100 мы работы IGBT, но и импульсную мощность резистора в режиме коммутации. Рис. 7. Характеристика NTC сенсора На плате предусмотрены элементы защиты Мониторинг VCEsat цепи затворов IGBT: одно посадочное место На рис. 9 показана схема мониторинга на- типоразмера SMB и два места типоразмера пряжения насыщения VCEsat IGBT с цепью 0805 (красная рамка на рис. 5). SEMIKRON ре- фильтрации (конденсатор фильтра выделен комендует использовать одну площадку 0805 зеленой пунктирной рамкой на рис. 5). Это для монтажа сопротивления 10 кОм, а SMB для необходимо для предотвращения ложных размещения двуполярного диода-супрессора срабатываний схемы защиты от перегрузки (TVS) с напряжением 15 В. Еще одна площадка на внутренних IGBT (T2 и T3). 0805 предназначена для установки конденсато- Идея состоит в том, что включение Т1 про- ра CGE. Кроме того, на плате имеется два поса- изводится только тогда, когда Т2 уже открыт дочных места MiniMELF или 1206 для монтажа и время блокировки tbl этого ключа закончи- эмиттерных резисторов IGBT. Активное ограничение Вход ограничения Диоды TVS Схема активного ограничения приведе- SKYPER42LJ на на рис. 8. Для размещения TVS-диодов Последовательный резистор предназначено пять площадок размера SMB Подключение схемы ограничения на каждый IGBT (V60–V64, V70–V74, V80–V84 к выходу драйвера и V90–V94, пунктирная коричневая рамка Рис. 8. Схема активного ограничения Диод-супрессор на рис. 5). На схеме также показан резистор для защиты затвора (R63, R71, R81, R91) ограничения тока за- ряда затворной емкости и TVS-диод, защи- щающий затвор от перенапряжений. Как и в предыдущих случаях, сигнал обратной связи подается через резистор на вход драй- вера для подавления импульсов управления в режиме ограничения. В режиме ограниче- ния каскад драйвера отсоединяется от затво- ра, чтобы процесс его зарядки не нарушал работу схемы управления. www.power e.ru 37

Силовая электроника, № 5’2021 Силовая элементная база Диоды может отсутствовать или заменяться перемыч- цепи DESAT кой (0 Ом). Во втором случае (рекомендация SEMIKRON) выходы/входы сигнала ошибки SKYPER42LJPV Pin 2 511R двух SKYPER 42LJ оказываются соединенны- SEC_VCE_IN ми. Если R10 не установлен, то сигнал с выхода CFilter ERROR одного драйвера не будет немедленно VCE поступать на вход ERROR другого драйвера. 2,2 нФ Резисторы R15–R18 (0805, выделены пун- Рис. 9. Фильтрация сигнала VCE ктирной красной рамкой на рис. 5) выбирают в соответствии с таблицей 1. Элементы R15, Таблица 1. Назначение резисторов R15, R16 (R17, R18 по каналам Т3 и Т4) R16 устанавливают связь каналов ошибки ERROR драйвера, управляющего Т1 и Т2, R17 R15 (R17) 0 Не установлен и R18 — драйвера Т3 и Т4. Любые другие ком- бинации (например, все резисторы = 0 или все R16 (R18) Не установлен 0 резисторы отсутствуют) могут привести к от- казу системы. Функция Драйвер формирует сигнал ERROR при поступлении Драйвер формирует сигнал ERROR и немедленно информации об ошибке с выходного каскада, блокирует IGBT через резистор Rsoft. при поступлении Защитные функции SKYPER 42 LJ PV но IGBT не блокируется. Если входы и выходы ERROR драйверов информации об ошибке с выходного каскада. соединены друг с другом (R42 = R47 = 0 Ом), Драйвер не реагирует на внешний сигнал ERROR При подаче внешнего сигнала ERROR драйвер отключает они используют единую цепь сигнала ошиб- и остается в предыдущем состоянии до отключения ки. В этом случае при обнаружении неис- входным ШИМ-импульсом (при наличии неисправности оба IGBT. правности в одном из каналов блокируются Непрерывная подача сигнала ERROR блокирует все связанные устройства. При отсутствии используется резистор Rsoft). такой связи появляется возможность не- Непрерывная подача сигнала ERROR блокирует включение драйвера. зависимого контроля состояния каналов. Настройка по умолчанию (рекомендуемая) Тогда выходы ERROR следует подключить включение драйвера к управляющему контроллеру, который бло- кирует при необходимости соответствую- Таблица 2. Назначение резисторов R19, R20 (каналы Т3 и Т4) и R21, R22 (каналы Т1 и Т2) щие входы драйверов. В трехуровневой схеме функция Interlock R19 (R21) 0 Не установлен (запрет одновременного включения транзи- сторов полумоста) должна быть отключена, R20 (R22) Не установлен 0 поскольку оба IGBT (T1/T2 или Т3/Т4) мо- гут открываться одновременно. Назначение Функция Функция Interlock блокирована, Т3 и Т4 могут включаться Функция Interlock активна, время блокировки составляет резисторов R19, R20, R21, R22 описано в та- одновременно. Настройка по умолчанию (рекомендуемая) 2 мкс блице 2. Назначение элементов R30–R33 (типораз- Таблица 3. Назначение резисторов R30, R31 (входной фильтр по каналам Т3 и Т4) и R32, R33 мер 0805, выделены красной пунктирной рам- (входной фильтр по каналам Т1 и Т2) кой на рис. 5) описано в таблице 3. Резисторы R30 и R31 устанавливают параметры входных R30 (R32) 0 Не установлен фильтров драйверов Т3 и T4, R32 и R33 — драйверов Т1 и T2. Использование любой R31 (R33) Не установлен 0 другой комбинации (например, все сопротив- ления = 0 или не установлены) ведет к сбою Установлен цифровой входной фильтр. Время фильтрации Установлен аналоговый входной фильтр. или отказу системы. Время фильтрации 180 нс, типовое время задержки Функция 375 нс, типовое время задержки 0,7 мкс, 0,4 мкс, джиттер — 2,5 нс. Настройка по умолчанию Рекомендации и ограничения джиттер — 30 нс во всем диапазоне температур (рекомендуемая) Защита с детектированием короткого замыкания Таблица 4. Установки в режиме детектирования КЗ Плата драйвера обеспечивает токовую R10 = 0 Установлена связь сигналов ошибки SKYPER 42 LJ защиту (DESAT) и активное ограничение по всем IGBT (T1–T4). Транзисторы могут R42 = R47 = 0 Входы и выходы ERROR драйверов SKYPER 42 LJ соединены между собой быть блокированы в любой момент времени без соблюдения определенной последователь- R16 = R18 = 0 Драйвер отключает IGBT при неисправности и реагирует на вход ERROR ности отключения, которая обычно требуется в трехуровневых схемах. Необходимые уста- R19 = R21 = 0 Нет функции Interlock новки приведены в таблице 4. RSoft = RGoff Резистор режима «плавного отключения» должен иметь значение RGoff для отключения IGBT При использовании указанных значений без задержки в случае КЗ выход из насыщения любого IGBT ведет к его немедленной блокировке и формированию C1202 = C1392 = 2,2 нФ Фильтрующие емкости входа мониторинга напряжения насыщения сигнала ошибки. Все остальные транзисторы также мгновенно отключаются, поскольку вхо- Таблица 5. Установки без режима детектирования КЗ ды/выходы ERROR всех каналов объединены. Когда внутренние IGBT T2/T3 блокируются R10 = х Резистор может отсутствовать или заменяться перемычкой раньше (при обнаружении неисправности или при подаче внешнего сигнала), активируется R42 = R47 = 0 Входы и выходы ERROR драйверов SKYPER 42 LJ соединены между собой схема активного ограничения. R15 = R15 = 0 Драйвер не отключает IGBT при неисправности и не реагирует на вход ERROR www.power e.ru R19 = R21 = 0 Нет функции Interlock R1102 = R1402 = 0 Отключено активное ограничение на Т1 и Т4 C1102 = C1202 = C1302 = C1402 = 0 Установка перемычки вместо конденсаторов отключает мониторинг VCEsat RSoft = RGoff Сопротивление определяется параметрами схемы 38

Силовая электроника, № 5’2021 Силовая элементная база Таблица 6. Перечень элементов прототипа трехуровневого инвертора Cиловой IGBT модуль в компактном корпусе Элемент Значение для Т1 и Т4 Значение для Т2 и Т3 высотой 17 мм RGon 1,2 Ом 1,4 Ом от АО «Ангстрем» RGoff 1 Ом 5 Ом RSoft 0 Ом 0 Ом АО «Ангстрем» завершило цикл испытаний CGE IGBT-модуля AnM450HBE12M на 1200 В и 450 А CFilter – – в компактном корпусе 17 62 122 мм и готово Active Clamping 2,2 нФ 2,2 нФ предложить клиентам новую продукцию. 4 × SMBJ188 + 1 × SMBJ64 К уже освоенным корпусам МПК-34 и МПК- 62 добавлен новый тип корпуса — МПК-62-3 RCE 10 кОм (R1100, R1101, R1400, R1401) 10 кОм (R1200, R1201, R1300, R1301) с более компактными габаритами 17 62 122 СCE 820 пФ (С1102, С1402) 820 пФ (С1202, С1302) мм. AnM450HBE12M — первый модуль в но- Rtemp_th 332 Ом (R143) вой серии компактных IGBT-модулей конфи- гурации «полумост»: AnM450HBE065M (650 В, Защита без детектирования Активное ограничение 450 А), AnM450HBE12M (1200 В, 450 А) реклама Настройка уровня активного ограничения и AnM300HBE17M (1700 В, 300 А). короткого замыкания напряжения IGBT T1–T4 осуществляется По габаритам новые силовые модули аналогичны Если защита от КЗ не требуется, то диоды путем выбора типа и количества последова- хорошо известному корпусу EconoDUAL 3 про- V101, V201, V301 и V401 не устанавливаются. тельно соединенных SMB-супрессоров (TVS). изводства Infineon, что позволяет реализовать TVS-cупрессоры обычно требуются на вну- Суммарное значение Vbr с учетом всех допу- программы импортозамещения без существен- тренних IGBT для их защиты от перенапря- сков и температурной зависимости должно ных изменений уже существующих схемотех- жения из-за длинной цепи коммутации (боль- быть ниже блокирующей способности IGBT. нических решений. шая реактивная мощность). Необходимые Схема активного ограничения не должна AnM450HBE12M способен выдерживать ток установки приведены в таблице 5. влиять на работу инвертора, даже при макси- короткого замыкания в 4 раза дольше им- Если состояние перегрузки детектирует- мальном напряжении DC-шины (с учетом до- портных аналогов. Кристаллы быстровос- ся в выходном каскаде (управляющем Т1), пусков и коммутационных перенапряжений), станавливающихся диодов и транзисторов сигнал ошибки транслируется на вход (вы- чтобы не увеличивать потери переключения. с изолированным затвором на стадии изго- вод 15 разъема Х10), драйвер не реагирует. Режим ограничения ни в коем случае не следу- товления оптимизированы по статистическим Транзисторы должны отключаться по ШИМ- ет использовать для решения проблем, связан- и динамическим параметрам, что позволяет сигналу контроллера, при этом внешний ных с плохой конструкцией и высокой индук- обеспечивать высокую надежность при работе IGBT блокируется первым, а внутренний — тивностью звена постоянного тока. на индуктивную нагрузку в жестких темпера- через несколько мкс. Подробные объяснения турных условиях. работы схемы управления MLI приведены Перечень элементов Силовой модуль AnM450HBE12M может при- в SEMIKRON AN11001 [2]. меняться в широком классе устройств, связанных Существует возможность параллельного Устройство управления SEMITRANS 10 MLI с обеспечением безопасности человека. Такие включения нескольких драйверов для повы- М7 Driver Board протестировано в составе ма- устройства имеют очень высокие требования шения мощности инвертора. Благодаря циф- кета 3L-инвертора разделенной конфигура- к надежности, компактности и бесперебойному ровому способу передачи данных и малому ции с силовыми модулями SEMITRANS 10 гарантийному обслуживанию, например: временному разбросу входы параллельных (SKM1400MLI12TМ7 и SKM1400MLI12BМ7), • устройства плавного пуска в системах плат управления можно объединить. При перечень использованных элементов приве- этом ШИМ-импульсы и сигналы ошибки ден в таблице 6. управления лифтами, кондиционирова- передаются по одному кабелю. ния и очистки воздуха, насосных станциях В трехфазных системах драйверы не объе- Литература в ЖКХ; динены по сигналу ошибки, эта связь должна • преобразователи частоты для управления обеспечиваться пользователем — либо путем 1. Lamp J. Technical Explanation SEMITRANS электродвигателями и электроприводами прямого соединения цепей ERROR, либо через 10MLI M7 Driver Board. SEMIKRON, 2021. в электротранспорте и автоматизированных контроллер. производственных линиях; 2. Staudt I. 3L NPC & TNPC Topology. • насосы и электропогружные установки Резисторы затворов SEMIKRON Application Note, AN-11001 — в нефте- и газоперерабатывающей отрас- Минимальное значение RG определяется rev.05, 2015. ли; перепадом напряжения управления при ком- мутации и нагрузочными характеристиками 3. Колпаков А. SEMISEL V3.1 — новые воз- www.angstrem.ru драйвера. Например, при VGon/off = +15/–8 В можности, новые перспективы // Силовая разница составляет 23 В. С учетом пико- электроника. 2008. № 3. 39 вого тока SKYPER 42 LJ PV (35 A) мини- мальное суммарное сопротивление затвора 4. Колпаков А. 3L-инверторы: специализи- RGmin = 0,65 Ом. Эта величина состоит из вну- рованные модули и тепловой расчет // треннего RGint двух модулей (приводится Компоненты и технологии. 2011. № 5. в технической спецификации), эмиттерных сопротивлений и внешних резисторов затво- 5. Nicolai U. SKYPER 12 (T)MLI Driver Board. ра RGon и RGoff. Technical Explanation. SEMIKRON, 2018. При выборе величины RG необходимо рас- считать рассеиваемую мощность с учетом 6. Rabl I., Nicolai U. SEMITOP E2 1200V омического сопротивления, чтобы исключить MLI Inverter Board. Technical Explanation. перегрев. Особенностью работы резисторов SEMIKRON, 2018. затвора является высокая импульсная нагруз- ка, при этом чип-компоненты типоразмера 7. Hermwille M. Gate Resistor — Principles and 1206 имеют меньшую мощность и стойкость Applications. SEMIKRON Application Note, к перегрузкам, чем MiniMELF. Более под- AN-7003 — rev. 00. 2007. робную информацию о выборе затворных резисторов можно найти в руководстве AN- 8. Hermwille M. GBT Driver Calculation. 7003 [7]. SEMIKRON Application Note, AN-7004 — rev. 00. Nuremberg, 2007. 9. Krapp J. Technical Explanation SKYPER12 — rev. 5. SEMIKRON Technical Explanation, 2017. 10. A g o s t i n i R . T e c h n i c a l E x p l a n a t i o n SEMITOP — rev. 5. SEMIKRON Technical Explanation, 2017. www.power e.ru

Силовая электроника, № 5’2021 Силовая элементная база Отечественная сборка Plug-and-Play на базе драйверного ядра ДР8/1700 от АО «Ангстрем» АО «Ангстрем» разработало полностью отечественное устройство Plug and Play, основанное на изделиях собственного производства — драйвере управления ДР8/1700, адаптере АДР 1200/1700, cиловом IGBT модуле в корпусе МПК 62 3, аналогичном корпусу EconoDUAL. Сергей Мельник Импортозамещение and-Play, все используемые компоненты которой [email protected] разработаны и произведены российской компанией Ярослав Вренев В 2021 году на мировом рынке наблюдается зна- АО «Ангстрем». [email protected] чительный дефицит кристаллов и чипов, сроки Станислав Клейн поставки которых из Юго-Восточной Азии суще- Системы с длительным [email protected] ственно увеличены. В некоторых отраслях поставки жизненным циклом электронных компонентов даже стали фактором, 40 лимитирующим производство. Учитывая, что IGBT- Эксплуатация электротранспорта, судов, систем драйверы и силовые модули используются во многих жизнеобеспечения городов, систем управления про- критичных для государства областях промышлен- мышленных предприятий требует постоянного тех- ности, электроснабжении, транспорте, для газо- нического обслуживания в течение всего жизненного и нефтедобычи, возможность выбора отечественного цикла, который составляет несколько десятков лет. аналога, не уступающего импортным вариантам ис- В этих условиях особое значение приобретает про- полнения, определяет независимость и возможность стота замены комплектующих и постгарантийное бесперебойной работы указанных отраслей. техобслуживание. В статье приводится краткое описание одного Комплект Plug-and-Play в составе драйвера, адапте- из таких решений — отечественная сборка Plug- ра и силового IGBT-модуля дает возможность заме- нять импортные драйверы управления или силовые модули по отдельности, без замены всей системы. Это позволит гарантировать поставки комплектую- щих, а также снизить эксплуатационные расходы. Рис. 1. Комплект Plug and Play. Силовые модули 1 — драйвер ДР8/1700; 2 — адаптер АДР 1200/1700; АО «Ангстрем» — единственное в России предпри- 3 — cиловой IGBT модуль в корпусе МПК 62 3 ятие, выпускающее широкую линейку IGBT- и FRD- кристаллов, а также силовых модулей на их основе. Серийно выпускаются силовые модули 148 типов в корпусах МПК-30, МПК-34, МПК-62, МПК-62-2. В июле 2021 года было запущено серийное произ- водство модулей в компактном корпусе МПК-62-3 с габаритами 152×62×17 мм, аналогичном корпусу EconoDUAL. Для компактного монтажа драйвера управления на данный тип корпуса IGBT-модуля был разработан адаптер АДР 1200/1700 (рис. 1) Адаптер АДР 1200/1700 Адаптер АДР 1200/1700 представляет собой пе- чатную плату, содержащую все необходимые ком- поненты для оптимального подключения драйвера www.power e.ru

Силовая электроника, № 5’2021 Силовая элементная база Рис. 2. Адаптер АДР 1200/1700 в сборке на надежности работы модулей, тепловы- Рис. 3. Адаптер АДР 1200/1700 с драйвером ДР8/1700 и IGBT модулем: делении, плотности компоновки и мас- в комплекте поставки: 1— затворные 1 — драйвер ДР8/1700; согабаритных характеристиках конечных резисторы, 2 — защитные диоды схемы 2 — адаптер АДР 1200/1700, изделий. активного клемпинга, 3 — цепь резисторов 3 — IGBT модуль в корпусе МПК 62 3 контроля Vce, 4 — канал подключения Корпус МПК-62-3, с установленным адап- для мониторинга температуры корпуса ДР8/1700 к корпусу силового модуля (рис. 2, 3). тером АДР 1200/1700 и драйвером ДР8/1700, IGBT модуля, 5 — входной разъем. Адаптер обеспечивает конструктивную при- позволяет увеличить эффективность тепло- вязку драйвера управления к IGBT модулю отвода, существенно повысить плотность и затворные резисторы в комплект поставки в форм-факторе EconoDUAL, дает воз- компоновки и реализовать возможность не входят, поскольку сопротивление резисто- можность избавиться от дополнительных Plug-and-Play. Без учета габаритов разъема ров подбирается в соответствии с задачами по- переходных разъемов и длинных проводов. габариты сборки по высоте составляют всего требителя. Для IGBT-модулей производства Такое конструктивное решение позволяет 30 мм. АО «Ангстрем» минимальное сопротивле- радикально снизить паразитную индуктив- ние затворных резисторов составляет 20 Ом. ность в цепи управления затвор-эмиттер. Адаптер имеет канал подключения внеш- Более точные значения определяются режи- Паразитная индуктивность усиливает пики него устройства для мониторинга температу- мами работы силовых преобразовательных напряжения в цепи затвор-эмиттер, кол- ры корпуса при стабильных режимах рабо- устройств. лектор-эмиттер, увеличивает потери при ты силовых преобразовательных устройств. переключении, что негативно сказывается Для реализации этой возможности в IGBT- Функциональная схема устройства Plug- модули в корпусе МПК-62-3 встроены NTC- and-Play приведена на рис. 4. резисторы. Адаптер АДР 1200/1700 содержит в своем составе: • цепочку шунтирующих TVS-диодов для защиты от перенапряжений по принципу ограничения импульса напряжения (gate clamping & active clamping); • цепь резисторов для прецизионного кон- троля Vce(sat) для защиты от короткого за- мыкания; • затворные резисторы для установки тока заряда затвора IGBT; • входной разъем для подключения сигналов управления. Комплектация Адаптер выпускается в двух модификаци- ях: для силовых модулей с предельно допу- стимым напряжением 1200 и 1700 В. Драйвер Рис. 4. Функциональная схема устройства Plug and Play на базе драйвера ДР8/1700, адаптера АДР 1200/1700 и IGBT модуля 41 www.power e.ru

Силовая электроника, № 5’2021 Силовая элементная база Рис. 5. Общий вид IGBT модулей на измерительном стенде Испытания IGBT модулей на устойчивость к воздействию сдвоенного импульса Тест на устойчивость к сдвоенному импуль- Рис. 6. Полный цикл переключения AnM450HBE12M при T = +25 °C. су включен в 100%-ный контроль для оценки 1 — напряжение затвор эмиттер (Vge); 2 — напряжение коллектор эмиттер (Vce); 3 — ток коллектора (Ic) динамического поведения IGBT-модулей по- сле сборки в корпус. • Температура окружающей среды: (+25 ±10) °С. • системы управления электродвигателями • При проведении дополнительного контроля • преобразователи частоты; Сдвоенный импульс — это метод измере- • источники питания; ния динамических параметров переключения использовались измерительные средства: • преобразователи для высоковольтных ли- и оценки динамического поведения. – осциллограф цифровой запоминающий ний электропередачи; Стопроцентный контроль оценки ди- LeCroy HDO4034; • преобразователи переменного/постоянного намического поведения IGBT-модулей – источник питания МЕГЕОН 30305; AnM450HBE12M проводится с использо- – генератор сигналов Rigol DG4102; тока; ванием драйвера ДР8/1700 и согласующего – пассивный пробник LeCroy PPE 4kV + • бытовая техника (стиральные машины, кон- адаптера АДР 1200/1700 на стенде измерения динамических параметров с регулируемым PP017; диционеры, холодильники, вентиляторы, импульсом мощности через индуктивную – измеритель тока LeCroy T3RC3000. насосы и др.). нагрузку. На рис. 6 представлена типовая осцилло- Производственные мощности и центры грамма полного цикла переключения IGBT- разработки АО «Ангстрем» позволяют соз- Общий вид IGBT-модулей на измеритель- модуля при проведении дополнительного давать не только электронные компонен- ном стенде, при проведении дополнительного контроля на сдвоенный импульс. ты, но и функциональные блоки, не усту- 100%-ного контроля на сдвоенный импульс пающие по характеристикам импортным для оценки динамического поведения на пре- Выводы аналогам. Гибкость производства и ориен- дельно допустимом токе коллектора, приведен тированность на отечественный рынок де- на рис. 5. Адаптер АДР 1200/1700 решает важную за- лают возможной адаптацию выпускаемой дачу импортозамещения, поскольку позволяет продукции и разработку новых изделий Условия проведения испытаний: заменять драйверы и IGBT поэтапно и незави- под нужды отечественных предприятий. • Напряжение: 600 В. симо друг от друга. АО «Ангстрем» приглашает к сотрудниче- • Амплитуда импульсов управления: ству российские компании, как в рамках Сборка «драйвер-адаптер-модуль» программ замещения импорта, так и для +15/–8 В. АО «Ангстрем» может входить в состав других обеспечения бесперебойности поставок ком- • Индуктивная нагрузка в режиме непрерыв- устройств, существенно повышая их уровень плектующих. локализации: ного тока: 300 А. • Последовательное сопротивление в цепи затвора: 20 Ом. Высокотехнологичные силовые модули CXT PLA3SA от CISSOID для применения в аэрокосмической отрасли Компания CISSOID расширила свою линейку Совмещение драйвера затвора с силовым модулем аэрокосмических электромеханических приводов трехфазных интеллектуальных силовых моду- позволяет достичь оптимального соотношения ско- лей (IPM) на полевых транзисторах из карбида рости переключения и минимальных коммутацион- и преобразователей энергии. Отвод тепла модуля кремния (SiC), представив новые силовые моду- ных потерь, устойчивости к импульсным помехам ли на плоской опорной панели из AlSiC 9 (ком- тока и напряжения. питания происходит благодаря наличию плоской позитный материал с металлической матрицей Функции защиты помогают постоянно контролировать на основе алюминия и карбида кремния): правильную работу всей системы модуля в целом: опорной панели, выполненной из композитного • CXT-PLA3SA12340AA (1200 В/340 A); • блокировка при низких напряжениях пита- • CXT-PLA3SA12550AA (1200 В/550 A); материала с металлической матрицей. • CMT-PLA3SB12340AA (1200 В/340 A). ния и управления (UVLO); Устройства отвечают требованиям теплоотвода • защита ключа от перегрузки по току (Desat); Характеристики: при естественной конвекции или принудительном • плавное выключение (SSD); • напряжение блокировки: 1200 В; охлаждении для применений в аэрокосмической • активное подавление эффекта Миллера (AMC). • максимальный ток: 340/550 А; отрасли и специализированных промышленных Новый модуль с воздушным охлаждением раз- • сопротивление (в открытом состоянии ключа): приложениях. работан для применений, в которых жидкост- ное охлаждение недопустимо, — например, для 3,25 мОм; • потери энергии при включении: 8,42 мДж; • потери энергии при выключении: 7,05 мДж; • рабочая температура модуля: +175 °C; • габариты: 103 154 43 мм. www.radiant.su 42 www.power e.ru

реклама

Силовая электроника, № 5’2021 Силовая элементная база Мостовой контроллер со сдвигом фазы для высоковольтных систем В статье представлен мостовой контроллер со сдвигом фазы LTC1922 1 компании Analog Devices, который обеспечивает эффективное преобразование энергии с гальванической изоляцией в высоковольтных системах. Джон Базинет Введение чувствительных цепей, устранения общего контура (John Bazinet) заземления, а также для соответствия устройства тре- В распределенных системах питания оборудования бованиям регулирующих органов. К сожалению, обе- Перевод: Михаил Русских для обработки данных и обеспечения связи исполь- спечение изоляции повышает сложность разработ- зуются изолированные высоковольтные преобразо- ки и снижает КПД вследствие различных факторов, [email protected] ватели при генерации промежуточных напряжений в том числе из-за потерь в магнитном сердечнике шины распределения питания и более низких напря- и потерь в медных проводах обмотки силового транс- жений для процессора, запоминающих устройств форматора. Эти проблемы усиливаются по мере уве- и цепей ввода/вывода. Изолирование такого источ- личения уровня мощности и входного напряжения. ника питания необходимо для обеспечения защиты Кроме того, паразитная индуктивность рассеяния Рис. 1. Блок схема LTC1922 44 www.power e.ru

Силовая электроника, № 5’2021 Силовая элементная база может генерировать высоковольтные скач- ограничения тока, длительность импульса га- нения 50% за вычетом небольшой задержки ки напряжения на силовых полевых МОП- шения переднего фронта, параметры плавного на переключение при нулевом напряжении. транзисторах, что приводит к еще большему пуска и цепи защиты от короткого замыкания, Выходные сигналы ключей A и B сдвинуты снижению КПД и созданию нежелательных что уменьшает сложность схемы и сокращает по фазе на 180° и меняют состояние каждый электромагнитных помех. Повышение КПД время разработки. раз, когда генератор синхронизирует встро- этих источников питания позволяет смягчить енный ШИМ-триггер. Аналогичным образом требование к охлаждению, уменьшить объем, Что представляет собой мостовой выходные сигналы ключей C и D сдвинуты вес и стоимость. Мостовые преобразователи контроллер со сдвигом фазы? по фазе на 180° и изменяют состояние каждый энергии со сдвигом фазы стали популярными раз, когда сигнал источника пилообразного благодаря их возможности функционирова- Мостовой преобразователь со сдвигом фазы напряжения RAMP превышает уровень управ- ния при наличии паразитных характеристик не обеспечивает резкого переключения сило- ления ШИМ, определяемый COMP. По мере силового трансформатора и полевых МОП- вых полевых МОП-транзисторов, как в случае увеличения уровня управления ШИМ про- транзисторов с целью значительного сниже- со стандартными мостовыми или прямоходо- исходит соответствующее расширение пере- ния коммутационных потерь и шума. выми преобразователями. Вместо этого он ис- крываемых областей проводимости (A-D или пользует энергию, накопленную в индуктив- B-C), иными словами, увеличение фазового Микросхема LTC1922-1 в 20-выводном кор- ности рассеяния силового трансформатора сдвига. Максимальная перекрываемая об- пусе SSOP (с литерой G) или PDIP (с литерой для плавного включения каждого из четырех ласть пары ключей составляет 50% от периода. N) (рис. 1) представляет собой полнофункци- силовых полевых МОП-транзисторов в соста- Поскольку обе пары переключателей проводят ональный контроллер для создания мостового ве полного моста. Переключение при нулевом ток во время периода работы трансформато- преобразователя со сдвигом фазы. LTC1922-1 напряжении происходит при включении и вы- ра, максимально достижимый коэффициент имеет широкий рабочий диапазон (фазовый ключении внешних силовых полевых МОП- заполнения составляет 100%. При закрытии сдвиг 0–99,5%) фазового модулятора, а также транзисторов, когда их соответствующие ключа соответствующий импульс намагничи- содержит блок генерации программируемой напряжения сток-исток равны или близки вания трансформатора и индуктивности рас- (в диапазоне 10 кГц — 1 МГц) фиксированной к нулю, что позволяет устранить мгновенные сеяния во время управления фазовым сдвигом частоты и режим управления по току с инно- потери мощности при включении полевых позволяет коммутировать напряжения соот- вационной схемой обеспечения переключений МОП-транзисторов, возникающие из-за COSS ветствующих плеч моста в сторону нулевого при нулевом напряжении (ZVS) во всех рабо- (емкости сток-исток) и разряда паразитной напряжения. чих условиях, благодаря чему осуществляется емкости (рис. 2). Это помогает повысить КПД, оптимизация КПД. Встроенная схема управле- снизить электромагнитные помехи, возни- Адаптивная технология DirectSense ния синхронным выпрямлением с удвоени- кающие из-за переключений, и устранить ем тока еще больше увеличивает КПД и со- необходимость в использовании снабберов В LTC1922-1 принцип переключения при кращает пульсации выходного напряжения. в первичной цепи. нулевом напряжении (ZVS) реализуется Благодаря низким пусковым токам и токам с помощью технологии DirectSense с обрат- покоя в рабочем режиме нагрузка на внеш- Управление сдвигом фазы ной связью. Оптимальное время задержки ние цепи смещения существенно снижается, ZVS является сложной нелинейной функ- а точный стабилизатор с малым падением на- На рис. 3 показано, что диагонально рас- цией, зависящей от тока нагрузки, емкости пряжения на 5 В обеспечивает ток до 15 мА для положенные ключи в полном мосту (A-D или сток-исток полевого МОП-транзистора, питания вспомогательных цепей. Кроме того, B-C) открываются и закрываются одновре- межобмоточной емкости трансформатора, в LTC1922-1 легко запрограммировать уровень менно, чтобы подавать энергию на нагрузку индуктивности рассеяния и намагничивания, (во вторичную цепь). Каждый сигнал управ- а также выходной индуктивности. Кроме ления ключами имеет коэффициент запол- того, в зависимости от различных факторов Рис. 2. Мгновенные потери на переключении Рис. 3. Временная диаграмма LTC1922 из за емкостного разряда 45 www.power e.ru

Силовая электроника, № 5’2021 Силовая элементная база Рис. 4. Непосредственное измерение напряжений полного моста Рис. 5. Зависимость пульсаций на выходном дросселе от коэффициента заполнения Рис. 6. Преобразователь на основе LTC1922 и компонентов для поверхностного монтажа, обеспечивающий на выходе напряжение 3,3 В и ток 40 А 46 www.power e.ru

Силовая электроника, № 5’2021 Силовая элементная база каждое плечо моста может вести себя по- Синхронное выпрямление ностного монтажа. Максимальный КПД со- разному, из-за чего необходимо предусма- ставляет чуть более 90% и снижается до 85% тривать различные задержки. Достижение Синхронное выпрямление способно зна- при нагрузке 40 А (рис. 7). Благодаря высо- оптимального времени задержки позво- чительно повысить КПД, особенно при более кому КПД устраняется необходимость в ис- ляет предотвратить резкое переключение низких выходных напряжениях и при опти- пользовании принудительного воздушного и/или увеличение проводимости внутренне- мальной синхронизации переключения. Как охлаждения, защитных пластин или громозд- го диода, увеличить диапазон коэффициента показано на рис. 3, LTC1922-1 содержит цепи ких радиаторов. Одна микросхема драйвера заполнения и минимизировать электромаг- синхронизации и логики, необходимые для LTC1693-1 и миниатюрные сигнальные транс- нитные помехи. Рассмотрим рис. 4. LTC1922 генерации управляющих сигналов для син- форматоры предназначены для управления измеряет напряжение на каждом плече мо- хронных выпрямителей вторичной цепи. Эти затвором двух полевых МОП-транзисторов ста с использованием делителя напряжения интервалы переключения запрограммирова- верхнего плеча. Вторая микросхема LTC1693-1 на линиях PDLY и ADLY и измеряет входное ны с целью предотвращения преждевремен- управляет синхронными выпрямителями напряжение питания с помощью делителя ного включения и запоздалого выключения во вторичной цепи. Программируемый ис- напряжения на линии SBUS. Встроенные внешних синхронных выпрямителей, что точник опорного напряжения LT1431 и стан- высокоскоростные компараторы, логика из- дает преимущество по сравнению с кремние- дартный оптрон применяются в цепи обрат- менения состояний и ШИМ, а также схемы выми диодными выпрямителями и барьер- ной связи для передачи через изоляционный обеспечения защиты формируют команду ными выпрямителями Шоттки и устраняет барьер информации о качестве стабилизации соответствующим верхним полевым МОП- необходимость в применении внешней ло- напряжения. транзисторам (MA, MC) на включение, гической схемы и дискретной схемы синхро- когда возрастающие напряжения на PDLY низации. На осциллограммах характеристик первич- и ADLY пересекают пороговый уровень, ной цепи (рис. 8) показаны очень четкие пере- определяемый напряжением на SBUS. Кроме Полевые МОП-транзисторы синхронного ходные процессы, свойственные мостовому того, каждый нарастающий фронт сигналов выпрямителя и силовой каскад вторичной преобразователю со сдвигом фазы. Поскольку на линиях ADLY и PDLY приводит к возник- цепи трансформатора собраны в схему удво- LTC1922-1 представляет собой контроллер новению определенного тока с точным зна- ителя тока с чередованием. В удвоителе тока с режимом управления по току, его легко чением, вытекающего из ADLY и PDLY со- используются два дросселя, которые поров- адаптировать к стандартным методам рас- ответственно. Прохождение этого тока через ну распределяют выходной ток и, что более пределения нагрузки, используемым в систе- внешний резистивный делитель приводит важно, обеспечивают сдвиг по фазе на 180°. мах резервного питания. К дополнительным к формированию более низкого порогового Это значительно уменьшает ток пульсаций функциям этого преобразователя относятся уровня для использования, когда плечи мо- выходного конденсатора в зависимости защита от защелкивания при низких напряже- ста коммутируются на «землю», обеспечивая от продолжительности включения (рис. 5), ниях, плавный пуск, гашение переднего фрон- переключение при нулевом напряжении для что в свою очередь сокращает пульсации на- та, ограничение тока и защита от короткого нижних полевых МОП-транзисторов (MB, пряжения и увеличивает срок службы выход- замыкания. MD). После прохождения заднего фронта ного конденсатора, при этом обеспечивается сигнала ток сбрасывается. Измеряя напряже- в два раза больше выходного тока по сравне- Заключение ние на плечах моста и входное напряжение нию с сопоставимыми силовыми каскадами питания, LTC1922-1 может адаптироваться с одним дросселем. Мостовой преобразователь со сдвигом к любым изменениям тока нагрузки, темпе- фазы — лучший вариант для осуществле- ратуры, допусков компонентов, смещения Изолированный преобразователь ния изолированного преобразования высо- задержки схемы драйвера или входного на- с входным напряжением 48 В, кого напряжения благодаря его высокому пряжения. К преимуществам применения выходным напряжением 3,3 В КПД и низкому уровню шума. LTC1922-1 такой адаптивной технологии можно от- и выходным током 40 А представляет собой решение следующего нести простоту разработки, высокий КПД, поколения для управления преобразовате- увеличенный коэффициент заполнения, На рис. 6 представлена схема, в которой лями такого типа, обеспечивающее опти- малый уровень электромагнитных помех, LTC1922-1 используется для преобразования мальное переключение при нулевом на- а также стабильность рабочих характеристик через изоляционный барьер входного напря- пряжении и имеющее встроенную цепь без необходимости проведения тонкой на- жения 36–72 В в стабилизированное выходное управления синхронным выпрямителем, стройки. напряжение 3,3 В с током 40 А. В этой схеме а также ряд других функций, предназначен- применяются только компоненты для поверх- ных для высоковольтных систем. Рис. 7. КПД преобразования входного напряжения 48 В Рис. 8. Осциллограммы электрических характеристик преобразователя в выходное напряжение 3,3 В входного напряжения 48 В в выходное напряжение 3,3 В с выходным током 20 А www.power e.ru 47

Силовая электроника, № 5’2021 Источники питания Предельная непрерывная модель системы с периодическим высокочастотным изменением структуры В статье рассмотрено понятие предельной непрерывной модели системы с высокочастотным периодическим изменением структуры, используемой при расчете импульсных регуляторов и стабилизаторов напряжения. Анатолий Коршунов Введение на основе физических соображений, а не строгих математических выводов, поскольку само по- 48 В силовой электронике существует достаточно нятие «средние значения фазовых координат» широко распространенный класс систем с перио- более интуитивное, чем строго математическое. дическим высокочастотным изменением структу- Достоинство метода осреднения состоит в возмож- ры. Частота переключений структуры выбирается ности применения хорошо разработанных методов высокой по отношению к скорости протекающих анализа и синтеза непрерывных систем. в системе процессов, как свободных, так и вынуж- денных. Наиболее типичный пример таких систем — Тенденция повышения частоты переключений импульсные преобразователи постоянного напряже- сохраняет актуальность метода осреднения. Однако ния (ИППН) [1–4]. Изменение структуры в ИППН необходимо его строгое математическое обоснова- осуществляют силовые транзисторные ключи. ние. Поскольку в основе применения метода осред- нения лежит пренебрежение пульсациями фазовых Импульсные преобразователи напряжения (ИПН) координат системы, учитывая их незначительность успешно применяются для регулирования и стабили- в реальных системах с высокой частотой переклю- зации напряжения переменного тока [5–8]. чений и жесткими требованиями к качеству вы- ходного напряжения, целесообразно рассматривать В силовой электронике используются и другие «предельную непрерывную модель» (ПНМ) систе- устройства с периодическим высокочастотным из- мы с периодическим высокочастотным изменением менением структуры, например автономные инвер- структуры [12]. Эта модель соответствует бесконеч- торы, предназначенные для частотного управления ной частоте переключений и полному отсутствию двигателями переменного тока. пульсаций фазовых координат. Получена она стро- го математически с помощью предельного перехода Принцип периодического высокочастотного из- для общего случая q переключаемых структур [12]. менения структуры применяется в схемотехнике Разумеется, ПНМ отличается от реальной системы, для плавного регулирования емкости конденсато- но в практически важных случаях «достаточно вы- ров, сопротивления резисторов и индуктивности сокой частоты переключений» оказывается близкой дросселей [9–11]. к ней настолько, что процессы в реальной системе отличаются от процессов в ее ПНМ только незначи- Основная идея использования систем с высоко- тельными пульсациями фазовых координат, не пре- частотным периодическим изменением структуры восходящими допустимых. состоит в осреднении и сглаживании выходных переменных за счет высокой частоты изменения Математическое описание системы структуры. Управление выходными переменными осуществляется изменением соотношения частей Рассмотрим системы, фазовые траектории которых периода переключений. непрерывны, что характерно для реальных технических устройств. Состояние системы определяется m-мерным Анализ и синтез ИППН — наиболее распро- вектором фазовых координат ХТ = [х1, х2, …,хm], страненной разновидности систем с периоди- Т — знак транспонирования [12]. ческим высокочастотным изменением структу- ры — изначально основан на методе осреднения Для общности рассмотрим системы, изменяющие в той или иной форме. Суть метода осреднения свою структуру q раз в течение периода Т. На каждом состоит в описании процессов в ИППН диф- из q отрезков периода Т система описывается своим ференциальными уравнениями относительно «средних» значений фазовых координат системы [1–4]. Дифференциальные уравнения получались www.power e.ru