Публикации

Microsemi

Параметры и особенности силовых IGBT- и FRED-модулей корпорации Microsemi (2012)

     Microsemi Corporation (Калифорния, США) была основана в 1960 г. и на протяжении всех этих лет демонстрировала устойчивый рост бизнеса. За последние годы были приобретены и успешно интегрированы в состав корпорации несколько сторонних компаний и подразделений:
Zarlink Semiconductor     • Zarlink Semiconductor (Оттава, Канада) — компания является одним из крупнейших мировых производителей интегральных микросхем для телекоммуникаций, оптоэлектроники, GPS-приемников. Компании принадлежит около 2100 патентов в области телефонии, пакетной передачи данных, беспроводных и оптических систем связи.
ASIC Advantage     ASIC Advantage (Саннивэйл, Калифорния, США) — производитель систем управления питанием, драйверов светодиодов, драйверов двигателей, радиационно-стойких продуктов, медицинских и потребительских приложений. ASIC Advantage включена в состав подразделения Analogue Mixed Signal Group (AMSG) Microsemi Corporation.
     • Arxan Defense Systems (Бетезда, Мэриленд, США) — производитель уникального программного обеспечения и различных специализированных кодов, предназначенных как для применения в военных системах, так и системах защиты от несанкционированного доступа компаний и промышленных предприятий.
     Brijot Imaging System (Лейл Мэри, Флорида, США) — глобальный производитель сканеров для обнаружения скрытых под одеждой человека предметов, контрабанды, оружия в аэропортах, военных и государственных учреждениях, а также для использования в таможенных и правоохранительных органах.
     AML Communication (Берлингтон, Онтарио, Канада) — известный разработчик и производитель широкого спектра стандартных и заказных СВЧ-усилителей, модулей и высокочастотных подсистем электронной защиты, предназначенных для разработки современных устройств гражданского и военного применения.
     • ACTEL Corporation (Сан-Хосе, Калифорния, США) — ведущий мировой производитель FPGA (ПЛИС со встроенными ППЗУ), в том числе радиационно-стойких, для военной, космической отраслей, авиационного бортового оборудования и атомной промышленности. После приобретения вся инфраструктура ACTEL Corporation включена в подразделение Microsemi SoC Products Group.
     • White Electronic Designs Corporation (Феникс, Аризона, США) — компания разрабатывает и производит инновационные продукты для военного, промышленного и коммерческого рынков: корпуса для полупроводниковых устройств, устройства памяти высокой плотности, изделия микроэлектроники, модули систем передачи данных для телекоммуникационных, оборонных и аэрокосмических отраслей, ЖК-дисплеи высокой четкости для самолетов и артиллерийских систем, а также ряд других продуктов.
     • Nexsem (графство Оранж, Калифорния, США) — дизайнерская компания по разработке и маркетингу полупроводниковых приборов, в том числе устройств постоянного тока высокого напряжения.
     • Оборонное бизнес-подразделение компании Endwave Corporation (Нью-Йорк, США), специализирующееся на разработке и производстве СВЧ компонентов и устройств различного назначения.
     Подразделение силовых продуктов космического назначения компании Spectrum Microwave, Inc. (Филадельфия, Пенсильвания, США), работа которого сконцентрирована на разработке и производстве высоконадёжных силовых устройств и электронных компонентов, способных работать в жёстких условиях космического пространства: экстремальные температуры, вакуум, радиационные излучение.
     • PowerDsine (Алисо Вьехо, Калифорния, США) — разработчик и производитель устройств для организации систем питания через Ethernet (PoE) в соответствие со стандартом IEEE 802.3af без дополнительных силовых кабелей и адаптеров: семейство midspan устройств, сплиттеры для подключения терминального оборубования для его питания по Ethernet линии, микросхемы для PoE применений и PoE модули.
     Advanced Power Technology (Беудли, Ворчестершир, Англия) — разработчик и производитель силовых полупроводниковых приборов высокой надежности и производительности для преобразования электрической энергии, систем управления и инверторов питания (мощные MOSFET, IGBT, диоды и модули).
     Корпорация сделала и ряд других приобретений [1]. В настоящее время Microsemi является одним из крупнейших производителей аналоговых, аналого-цифровых микросхем и дискретных компонентов высокой надежности (Hi-Rel) для тяжелых условий эксплуатации в военной, аэрокосмической отраслях, промышленности и на транспорте. Корпорация располагает собственными производственными мощностями в Калифорнии, Аризоне, Массачусетсе, Орегоне, а также в Ирландии и Шанхае. Microsemi являтся лидером в области производства и комплексных поставок компонентов для бортовой электроники сложных систем специального назначения. В компании работают около 3000 сотрудников, годовой доход $836 млн, президент и генеральный директор Джеймс Дж. Петерсон (по данным на 2011 г.).
     В настоящее время корпорация предлагает полный спектр полупроводниковых решений для аэрокосмической и военной отраслей, систем безопасности, промышленности, телекоммуникаций и медицинских приложений, а также для альтернативной энергетики. В состав продукции Microsemi входят устройства высокой надежности (Hi-Rel) и производительности, микросхемы для обработки аналоговых, смешанных и ВЧ-сигналов, настраиваемые системы на кристалле, FPGA, укомплектованные подсистемы, устройства для управления питанием, ASIC и другие продукты.
     На рис. 1 и 2 показана структура продукции, предназначенной для применения в аэрокосмической отрасли, а также продукции промышленного и медицинского назначения и основные их потребители (по данным на II квартал 2012 г).

Структура применения продукции, выпускаемой компанией Microsemi
     Силовые продукты корпорации разрабатывает подразделение Microsemi Power Products Group-Modules (Брюгге, Бельгия). Устройства питания компании представлены в следующих категориях: системы управления питанием (Power Management), силовые модули; продукты для солнечных батарей и альтернативных источников энергии. В каталог компании 2012 г. включены следующие силовые модули (в скобках указано количество типов изделий):
     • диодные модули (642);
     • интеллектуальные модули (6);
     • MOSFET-модули (271);
     • тиристорные модули (54);
     • IGBT-модули (410);
     • комбинированные IGBT/MOSFET-модули (20);
     • модули на основе карбида кремния (92) [2].
     В состав диодных модулей компании входят приборы на диодах с быстрым восстановлением обратного сопротивления (FRED), диодах Шоттки и выпрямительных диодах. В каталоге фирмы 2012 г. представлены 193 типа модулей с диодами FRED на обратные напряжения 50–700В, 292 типа модулей на диодах Шоттки с обратным напряжением 10–200В и 157 типов модулей на выпрямительных диодах с обратным напряжением 200–1800В. Рассмотрим особенности некоторых FRED-модулей фирмы.

Силовые модули APTxxDFxxHJ, APTxxDLxxHJ
Корпус SOT-227 (ISOTOP, размеры 38×25.2×11.8 мм)     Приборы этих серий представляют собой мостовые выпрямители, выполненные в корпусах SOT-227 (ISOTOP, размеры 38×25.2×11.8 мм), их внешний вид и структура показаны на рис. 3. Приборы предназначены для применения в мощных импульсных источниках питания, системах индукционного нагрева, сварочных аппаратах, быстродействующих выпрямителях. Особенности модулей:
     • сверхмалое время восстановления обратного сопротивления;
     • мягкий характер восстановления характеристик;
     • высокое напряжение блокировки;
     • большие рабочие токи;
     • малые токи утечки;
     • очень малая индуктивность рассеяния (Very low stray inductance);
     • высокий уровень интеграции.
     Производитель заявляет следующие преимущества модулей данных серий: высокая производительность на высоких частотах; малые потери; низкий уровень шумов коммутации; возможность непосредственной установки на радиатор (изолированный корпус); низкое тепловое сопротивление «кристалл–корпус».
     В состав серий входят силовые модули с выходным током 30А (АРТ30DF/DLxxxHJ), 50A (APT50DLxxxHJ), 60A (APT60DFxxxHJ), 75A (APT75DF/DLxxxHJ), 100A (APT100DF/ DLxxxHJ) и максимальным обратным напряжением 600В (APTxxDF/DL60HJ), 1200B (APTxxDF/DL120HJ), 1700B (APTxxDF170HJ).
     В качестве примера приведем параметры модуля APT100DL60HJ:
     • максимальный средний прямой ток (Maximum Average Forward Current) 100А при коэффициенте заполнения 50% и температуре корпуса +80 °С;
     • прямое напряжение 1.5В при Iпр = 100А и температуре кристаллов +150°С;
     • максимальный обратный ток утечки не более 0.5мА при Tj = +150°C;
     • время восстановления обратного сопротивления trr = 180нc при Iпр = 100А, di/dt = 2000А/мкс, Tj = +150°C;
     • энергия восстановления Err = 2.4мДж при тех же условиях;
     • тепловое сопротивление «кристалл–корпус» RthJC = 0.77°С/Вт.

Силовые модули APTDF30/60/100H601/1201G
     Приборы указанных серий также являются мостовыми выпрямителями (рис. 4). Они выполнены в корпусах SP1 размерами 51×40.8×11.5 мм и предназначены для применения в бесперебойных источниках питания, индукционных печах, сварочных аппаратах, быстродействующих выпрямителях. В состав серий входят модули с прямым током 30 А (APTDF30HxxxG), 60 А (APTDF60HxxxG), 100 A (APTDF100HxxxG) и максимальным обратным напряжением 600 В (APTDFxx601G) и 1200 В (APTDFxx1201G). Эти изделия имеют те же особенности и преимущества, что и модули, рассмотренные выше. Приведем параметры APTDF100H1201G:
     • максимальный средний прямой ток 100А при коэффициенте заполнения 50% и температуре корпуса +60°С;
     • прямое напряжение 2.4В при Iпр = 100А и температуре кристаллов +125°С;
     • время восстановления обратного сопротивления trr = 480нс при Iпр P = 100А, di/dt = 200А/мкс, Tj = +125°C;
     • тепловое сопротивление RthJC не более 0,55°С/Вт.
Силовые модули в корпусах SP1 и SP6    

Модули APTDF100H20/100/170G — мостовые выпрямители на прямой ток 100А и максимальное обратное напряжение 200В, 1000В, 1700В. Они выполнены в корпусе SP6 размерами 93×40×21.2мм, структура и внешний вид приведены на рис. 5. Области применения и преимущества те же, что и у модулей, рассмотренных выше. Параметры APTDF100H170G (Uобр = 1700 В):
     • прямой ток RMS 125А, максимальный средний прямой ток 100А при Т = +55°С;
     • прямое напряжение 2.1В при Iпр = 100А и температуре кристаллов +125°С;
     • trr = 704нс (Тj = +125°C), RthJC, не более 0,35°С/Вт.

Корпус SP6 размерами 108×62×17 ммСиловые модули APTDF200xxx
     Устройства этой серий силовых модулей компании Microsemi представляют собой однокорпусные мостовые выпрямители на прямой ток до 200А и максимальные обратные напряжения 200, 600, 1000, 1200, 1700В, выполненные в больших корпусах SP6 размерами 108×62×17 мм, крепление модулей к силовым шинам осуществляется винтами М5. Реализованная топология и внешний вид силового диодного модуля приведён на рис. 6. Области их использования и преимущества применения те же, что и у рассмотренных выше модулей.
     В качестве примера приведём основные технические параметры одного из представителей силовых приборов этой серии APTDF200H60G (максимальное обратное напряжение Uобр = 600В):
     • прямой ток RMS 270А, максимальный средний прямой ток Iav 200А при температуре корпуса +80°С;
     • прямое напряжение Uf 1.3 В при токе Iпр = 200А и температуре Тj = +125°C;
     • время обратного восстановления trr = 220нс (Tj = 125°C), RthJC не более 0.285 °С/Вт.

Силовые модули APTDF400AA/AK/KKxxxG MicrosemiСиловые модули APTDF400AA/AK/KKxxxG
     В указанные серии входят сборки из двух последовательно соединенных FRED диодов с выводом от точки соединения. Соединённые вместе, две сборки позволяют получить разработчику силовой электроники мощный выпрямительный мост (рис. 7). Все модульные устройства обладают высокой плотность мощности, выполнены в корпусах SP6 размерами 108×62×17 мм, а надежное крепление корпуса к печатной плате при помощи винтов обеспечивает невосприимчивость к вибрации. Серия включает силовые модули на прямой ток 400А и напряжения 200, 600, 1000, 1200, 1700В.
     Приведем параметры устройства APTDF400KK100G (максимальное обратное напряжение Uобр = 1000В), представляющего собой два диода с общим катодом, объединённые в одном корпусе:
     • прямой ток RMS 500 А, максимальный средний прямой ток 400А при температуре корпуса +70°С;
     • прямое напряжение Vf 1.7 В при рабочей температуре кристаллов модуля +125°C;
     • trr = 340 нс (Tj = +125 °C), RthJC не более 0.14°С/Вт.

Силовые модули APTDF400/430/450/500UxxxG
Силовые модули Microsemi в корпусе LP4     Данные серии представлены приборами в корпусах LP4 размерами 80×66×23мм; в модули интегрирован один быстрый диод (рис. 8). Рекомендованные производителем области применения модулей: в качестве антипараллельных диодов импульсных источников питания и инверторов, а также снабберных диодов; в источниках гарантированного бесперебойного питания; системах индукционного нагрева; сварочном оборудовании, быстродействующих выпрямителях; электротранспортных средствах (Electric vehicles).
     Особенности и преимущества те же, что и у описанных выше приборов. В состав серии входят следующие модули:
     • APTDF400U120G — Uобр = 1200В, Iпр = 400А;
     • APTDF430U100G — Uобр = 1000В, Iпр = 430А;
     • APTDF450U60G — Uобр = 600В, Iпр = 450А;
     • APTDF500U40G — Uобр = 400В, Iпр = 500А.
     Параметры действительны при температуре корпуса +80°С, trr модулей не превышает 170–300нс при температуре кристаллов +100°С, тепловое сопротивление RthJC = 0,08°С/Вт.
     В 2010 г. фирма Microsemi приступила к выпуску ряда серий модулей для тяжелых условий эксплуатации, состоящих из двух различным образом соединенных FRED (рис. 9):
     • UFT70-UFT72 на прямой ток 70А и обратные напряжения 100–800В;
     • UFT125-UFT127 на прямой ток 120А и обратные напряжения 50–800В;
Структура силовых модулей Microsemi серии UFTxxx     • UFT140-UFT142 на прямой ток 140А и обратные напряжения 100–800В;
     • UFT200-UFT202, UFT210-UFT212 на прямой ток 200А и обратные напряжения 100–800В;
     • UFT40010-UFT40020 на прямой ток 400А и обратные напряжения 100–200В.
     Модули перечисленных серий выпускаются в различных корпусах. Время восстановления обратного сопротивления находится в пределах 40–120нс, тепловое сопротивление 0,12–1.00°С/Вт, рабочий диапазон температур кристаллов от –55 до +175°С.
     В 2011 г. компания Microsemi представила несколько новых FRED для тяжелых условий эксплуатации серий HU100-HU102, HU20260-HU20280. Модули HU100-H101 выпускаются на прямой ток 100А и обратные напряжения 50–800В; HU20260-HU20280 — на прямой ток 200А и обратные напряжения 600–800В. Приборы, состоящие из единичных FRED диодов, выпускаются в малогабаритных корпусах размерами 39×19×14мм, отличаются повышенной допустимой температурой кристаллов до +175°С и широким диапазоном рабочих температур кристаллов от -55 до +175°С. Основные параметры приборов: trr 50–90нс (HU100-HU102) и 130нс (HU20260-HU20280); тепловое сопротивление кристалл/корпус 0,24–0,50°С/Вт. Модули допускают значительные импульсные токи — до 1500А при длительности импульсов 300мкс (HU100-HU102) и до 2100А (HU20260-HU20280).

Инверторы серий APTGххх
     Корпорация Microsemi выпускает чрезвычайно широкую номенклатуру силовых IGBT-модулей. Особенно много новых приборов было разработано в посткризисном 2009 г. Рассмотрим особенности модулей, техническая документация на которые была выпущена или отредактирована в 2009–2011 гг. Их классификационные параметры приведены в таблице, в которую включены все модули разработки 2010–2011 гг. и мощные (с прямым током 100 А и более) модули 2009 г. Рассмотрим особенности и области применения некоторых модулей, разработанных в 2011 г., более подробно.

Силовые IGBT-модули Microsemi

Силовой IGBT-модуль APTGT200A602G
Силовой IGBT-модуль APTGT200A602G     Данный прибор представляет собой фазный инвертор (Phase Leg) для применения в сварочном оборудовании, импульсных источниках питания, бесперебойных источниках питания, драйверах мощных двигателей. Технология Fast Trench+Field Stop IGBT3 дает существенное улучшение характеристик благодаря оптимизации основных элементов вертикальной структуры чипа: базы n-, слоя n-Field Stop, предназначенного для повышения напряжения пробоя, и эмиттера. В результате снижается суммарное значение потерь в широком диапазоне частот, обеспечивается более плавный характер переключения, а чипы занимают меньшую площадь, что позволяет использовать меньше кремния и тем самым снизить себестоимость продукции. Особенности и преимущества модуля APTGT200A602G:
     • низкое падение напряжение открытых IGBT;
     • малый следовой ток (Low tail current);
     • частоты переключения до 20 кГц;
     • антипараллельные диоды с мягким восстановлением;
     • низкое падение напряжения на открытых диодах;
     • малый ток утечки;
     • кельвин-эмиттеры для облегчения управления;
     • очень малая индуктивность рассеяния;
     • высокая степень интеграции;
     • выдающаяся производительность на высоких частотах переключения;
     • высокая температурная стабильность (Stable temperature behavior);
     • высокая прочность (very rugged);
     • непосредственный монтаж на теплоотвод (изолированный корпус);
     • малое тепловое сопротивление «кристалл-корпус»;
     • легкость параллельного соединения модулей для уменьшения Usat.
     Основные параметры антипараллельных диодов:
     • прямое напряжение 1.5 В при Iпр = 200А и Т = +150°С;
     • время восстановления обратного сопротивления 225нс при Т = +150°С, di/dt = 2200А/мкс, Iпр = 200А;
     • энергия восстановления 4,7 мДж при Т = +150°С;
     • тепловое сопротивление 0.4°С/Вт.

Силовой IGBT-модуль APTGT50H60RT3G
Силовой IGBT-модуль APTGT50H60RT3G     Основная область применения - инверторы солнечных батарей. Помимо указанных выше, модуль обладает такими дополнительными преимуществами, как:
     • нормированные характеристики RBSOA, SCSOA;
     • встроенный терморезистор для контроля температуры;
     • возможность пайки силовых и сигнальных выводов;
     • низкий профиль (толщина модуля 12 мм без выводов).
     Основные параметры антипараллельных и выпрямительных диодов:
     • прямое напряжение (CR1–CR4) 1.5 В при Iпр = 50А, Т = +150°С;
     • время восстановления обратного напряжения 150нс при Iпр = 50А, Т = +150°С;
     • энергия восстановления 1,2 мДж при Т = +150°С;
     • тепловое сопротивление 1,42 °С/Вт;
     • максимальный средний прямой ток выпрямительных диодов CR5–CR8 - 40А при Ткорп = +80°С и коэффициенте заполнения 50%;
     • прямое напряжение не более 1.5 В при Iпр = 30А, Tj = +125°С;
     • параметры терморезистора 50кОм±5% (Т = +25°С), В25/85 = 3952, ΔВ/В - 4%.

Силовой IGBT-модуль APTG100TL170G
     Этот трехуровневый инвертор предназначен для применения в солнечных батареях и бесперебойных источниках питания. Он обладает теми же особенностями и преимуществами, что и описанные выше модули. Основные параметры IGBT и антипараллельных диодов (помимо приведенных в таблице):
     • входная ёмкость IGBT 9нФ;
     • прямой ток диодов (CR1–CR4) 100А при Ткорп = 80°С, (CR5, CR6) - 150А;
     • прямое напряжение диодов 1,9 В при Tj = +125°C;
     • время восстановления обратного сопротивления 490нс при Tj = +125°C;
     • энергия восстановления 24мДж при Tj = +125°C;
     • тепловое сопротивление «кристалл–корпус» (CR1–CR4) - 0,39°С/Вт; (CR5, CR6) - 0,26°C/Вт.

Силовой IGBT-модуль APTGT300A170D3G
Силовой IGBT-модуль APTGT300A170D3G     Данный мощный фазный инвертор разработан инженерами Microsemi специально для использования в сварочных аппаратах и системах управления электрическими двигателями. Силовые выводы надёжно присоединяются к корпусу модуля винтами М6. Особенности и преимущества прибора те же, что и у прочих модулей. Основные параметры силового модуля APTGT300A170D3G (помимо характеристик, приведенных выше в таблице классификационных параметров):
     • входная емкость IGBT 27нФ;
     • прямой ток антипараллельных диодов 300А при Ткорп = +80°С;
     • время восстановления обратного сопротивления не превышает 490нс при температуре Tj = +125°C;
     • прямое напряжение диодов 1.9В при Tj = +125°C;
     • энергия восстановления 70мДж при Tj = +125°C;
     • тепловое сопротивление 0,13°С/Вт.

Литература
1. http://www.microsemi.com/en/company/acquisitions
2. http://www.microsemi.com/en/products/product-directory-list/10204