Силовые модули получили свое активное развитие в связи с увеличением мощности силовых устройств, и нашли свое применение в схемах, в которых использование дискретных компонентов было неприемлемо из-за их недостаточной мощности либо сложности реализации самой схемы на дискретных элементах. Использование силовых модулей увеличило производительность конечных систем и повысило КПД. В большинстве случаев, силовое устройство состоит из транзисторов MOSFET или IGBT и силовых диодов. Силовые модули компании Advanced Power Technology с различными топологиями размещения транзисторов, диодов отлично подходят для использования в силовых устройствах таких, как преобразователи мощности и источники питания.
Силовые модули APT
Компания Advanced Power Technology (APT) – признанный лидер в области производства силовых полупроводниковых модулей для широкого круга применений. Силовые модули компании APT объединяют в себе различное число дискретных компонентов – транзисторов, диодов, комбинированных устройств. Как правило, один силовой модуль может состоять из небольшого числа компонентов (не больше 10). Однако, для повышения функциональности модуля, компания интегрирует в одном корпусе свыше 500 компонентов.
В большинстве случаев, использование силовых модулей – отличное решение, обусловленное следующими причинами: производительность силовых модулей выше, их использование позволяет уменьшить размеры конечного устройства. Упрощение разработки конечного устройства при использовании модуля способствует уменьшению времени выхода разрабатываемого устройства на рынок. В свою очередь это снижает планку конкуренции и способствует уменьшению затрат на производство конечного устройства.
Компания APT производит как стандартные, так и заказные силовые модули (рис.1). Кроме того, компанией выпускаются интеллектуальные силовые модули со встроенными элементами контроля и управления.
Рис.1 Силовые модули Advanced Power Technology
Линия стандартных силовых модулей включает в себя устройства различных топологий. Их производство основано на использовании кристаллов IGBT, MOSFET и силовых диодов, также выпускаемых компанией Advanced Power Technology. При производстве стандартных модулей используются общепринятые в промышленности корпуса.
Заказные силовые модули получили свое распространение благодаря тесному сотрудничеству инженеров компании APT с заказчиками. По желанию заказчика APT может включать в состав модулей кристаллы других производителей. Заказные устройства производятся в корпусах, также удобных заказчику.
Компания Advanced Power Technology в большей степени ориентируется на производство стандартных модулей, т.к. заказные модули обладают довольно узким кругом применения. Ниже речь пойдет о стандартных и интеллектуальных модулях компании, нашедших огромное применение не только за рубежом, но и в России.
Транзисторные силовые модули
Компания APT выпускает огромный спектр силовых модулей на основе кристаллов полевых транзисторов и биполярных транзисторов с изолированным затвором, выполненных по различным технологиям с различными топологическими схемами (см. ниже).
1. Силовые модули IGBT
В силовых модулях компании APT широко используются кристаллы, выполненные по технологии производства IGBT – NPT и Trench Gate. Устройства, IGBT NPT и Trench Gate способны работать на напряжениях от 600В до 1700В на частотах до 100кГц в режимах жесткого переключения. Использование кристаллов, выполненных по этим технологиям, делает более простым параллельное соединение. В таблице 1 представлены параметры доступных силовых модулей компании APT.
2. Силовые модули MOSFET
Транзисторы, на основе которых выполнены эти силовые модули, являются новейшим поколением устройств с наименьшим сопротивлением в открытом состоянии, малым зарядом затвора и незначительными суммарными потерями. Технологии исполнения полевых транзисторов PowerMOS7, PowerMOSV в силовых модулях уникальны тем, что устройства, выполненные по этим технологиям, обладают малой входной емкостью, высокой частотой переключения. А запатентованная структура с планарным полосковым металлическим затвором обеспечивает низкое сопротивление на затворе.
В таблице 2 представлены параметры силовых модулей на основе полевых транзисторов серий Power MOS7 и Power MOSV.
3. Комбинированные силовые модули MOSFET и CoolMOS с диодами SiC
Не секрет, что в высокоскоростных системах управления электродвигателями, преобразователях индукционного нагрева и сварочном оборудовании, импульсных источниках питания используются полу- и полномостовые топологические схемы размещения транзисторов.
Например, для реализации резонансного режима на частоте 500кГц жестокого переключения требуется использование полевых транзисторов, т.к. только им свойственно работать на повышенных частотах. Возникающие потери в процессе переключения транзисторов уменьшаются путем установки параллельно полевому транзистору силовых диодов (рис.2). По желанию могут использоваться диоды на основе карбида кремния (SiC) либо диоды с быстрым восстановлением (FRED).
Рис.2. Схема силовых модулей на основе полевых транзисторов в комбинации с диодами SiC в полномостовой конфигурации.
Диоды SiC обладают нулевым временем обратного восстановления, минимальными потерями на включение и высокой температурой перехода (175С). Они способны работать с напряжением до 1200В. Динамические характеристики диодов на основе карбида кремния намного лучше характеристик диодов FRED. Поэтому замена FRED на диоды SiC привела к уменьшению потерь на включение транзистора в 2 раза.
APT предлагает широкий спектр силовых модулей MOSFET и CoolMOS, в состав которых входят карбидокремниевые диоды с рабочим напряжением 600В и 1200В. Силовые модули с диодами SiC доступны в конфигурациях повышающего преобразователя, цепи выпрямления фазы и полномостового соединения. Рабочее напряжение силовых модулей MOSFET и CoolMOS, использующих в своем составе диоды SiC, лежит в пределах от 500В до 1000В (табл.3.)
Диодные силовые модули
Компания APT производит также силовые диодные модули. Производство модулей основано на использовании собственных разработок эпитаксиальных диодов с быстрым восстановлением – FRED. При изготовлении кристалла диода используется напыление платины на кремний. Эта технология изготовления кристаллов FRED повысила производительность диода и привела к тому, что использование платины вместо золота на повышенных температурах уменьшает ток утечки, а при повышении значения прямого тока – время восстановления диода.
Применение силовых модулей
Силовые модули компании Advanced Power Technology с каждым днем находят все больше и больше применений. Помимо модулей с каскадными топологиями, интерес для разработчиков в нашей стране представляют интеллектуальные силовые модули.
Рис. 3 Схема интеллектуального силового модуля APTLGF70U120T
На рис.3 представлена схема интеллектуального силового модуля компании APT – APTLGF70U120T напряжением 1200В и током 70А. Как было сказано раньше, этот тип модулей в своем составе помимо силовой части содержит набор элементов для их интеллектуализации. В состав силового модуля APTLGF70U120T входит драйвер, питание которого осуществляется от вспомогательного источника. Для управления драйвером сигнал поступает через развязывающую схему, состоящую из высокочастотных трансформаторов и схемы принудительного старта. Особенностью силового модуля APTLGF70U120T является наличие встроенного DC/DC преобразователя, электромагнитного и радиочастотного фильтров помех низкого уровня. Модуль APTLGF70U120T работает на частоте 80кГц без потерь, он наделен схемами мониторинга температуры и обладает высокой степенью интеграции.
Устройство APTLGF70U120T, обладая огромным набором функций, используется в преобразователях индукционного нагрева, источниках питания, сварочном оборудовании.
Заключение
Силовые модули продолжают главенствовать в мире силовой электроники. Достоинствами применения модулей являются легкость монтажа, низкая стоимость и, самое главное, простота их использования. Наличие силовых модулей позволяет снизить габаритные размеры конечного устройства по сравнению с решениями на дискретных компонентах. Кроме того, силовые модули компании APT используют в своем составе дополнительные устройства для повышения их функциональности в целом.
Компания Квест является официальным дистрибьютором Advanced Power Technology в России и осуществляет прямые поставки силовых полупроводниковых устройств компании APT.