1. Введение.

Внедрение МОП технологии (металл - окисел - полупроводник) в область производства силовых полупроводников позволило создать принципиально новые устройства с уникальными свойствами. Особый интерес представляют биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT), которые в настояще время начинают оказывать существенное влияние на построение силовых электронных систем, предназначенных для промышленного, потребительского и военного применений.

Из рисунка 1.1. видно, что ожидается использование модулей IGBT взамен модулей MOSFET и биполярных дарлингтоновских модулей, так как они хорошо работают с “жестким” переключением на частотах до 20 кГц и с “мягким” переключением - на более высоких частотах. Они также захватывают область частот ниже диапазона 1 - 10 кГц при мощности 1 МВт, где прежде преобладали биполярные транзисторные модули.

Развитие IGBT позволило осуществить давнее стремление встроить цепи управления и защиты внутрь силового модуля и привело к появлению “разумных” силовых модулей.

1. Применение “разумных” силовых модулей (ipm).

Разумные силовые модули (IPM) являются усовершенствованными гибридными силовыми устройствами, сочетающими высокую скорость переключения и низкие потери IGBT с оптимизированными схемами управления затвором и защиты. Высокоэффективные схемы защиты от перегрузки по току и короткого замыкания реализованы путем использования чувствительных к току чипов IGBT, что позволяет осуществлять непрерывное контролирование тока силовых устройств. Надежность системы увеличена объединенной защитой IPM от превышения температуры и от ненормы по напряжению электропитания цепей управления.

Компания Митсубиси Электрик ввела первую линию разумных сиовых модулей в ноябре 1991 г. Постоянное улучшение силовых чипов, технологии монтажа и цепей управления привело к появлению IPM третьего поколения.

Разумные силовые модули третьего поколения были разработаны для получения малых потерь при переключениях с целью удовлетворить требования рынка для бесшумных инверторов с рабочими частотами до 20 кГц.

1.1. Конструкция “разумных” силовых модулей

В конструкции “разумных” силовых модулей использованы многие из проверенных технологий монтажа изолированных силовых модулей, применяемых в модулях IGBT. Оптимизированное по стоимости и эффективное выполнение встроенных цепей управления затвором и защиты в широком диапазоне регламентированных токов было достигнуто при использовании двух различных технологий монтажа. В устройствах с малой мощностью применена многослойная система эпоксидной изоляции, в то время как в устройствах со средней и большой мощностью использована керамическая изоляция. IPM изготавливают в четырех типах силовых схем: одинарной (Н), двойной (D), сборке из шести (С) и сборке из семи (R). На рисунке 4.1. показаны разновидности силовых цепей.

Рис. 1.1. Разновидности силовых цепей

1.1.1. Многослойная эпокси-конструкция

Маломощные IPM (10 - 50 А, 600 В и 10 - 15 А, 1200 В) используют многослойную эпокси-систему изоляции. В этой системе применены чередующиеся слои меди и эпоксидной смолы для создания защищенной печатной схемы непосредственно на алюминиевой пластине основания. Силовые чипы и компоненты цепи управления затвором припаяны непосредственно к подложке, что устраняет необходимость отдельной пластины печатной схемы на керамическом изоляционном материале. Модули, сконструированные с использованием такой технологии, легко идентифицировать по их корпусам чрезвычайно малой толщины. Такой дизайн корпуса идеально пригоден для потребительского и промышленного применения, когда важны низкая стоимость и компактные размеры. На рисунке 1.2. показан в разрезе корпус IPM такого типа. На рисунке 1.3. представлены PM 20 CSJ 060 (20 А, 600 В IPM).

Рис. 1.2. Многослойная эпоксидная конструкция

1 - корпус

2 - эпоксидная смола

3 - вывод входного сигнала

4 - силиконогель

5 - интегральная микросхема

6 - чип IGBT

7 - чип рекуперационного диода

8 - соединяющие проводники

9 - многослойное основание

Рис. 1.3. PM 20 CSJ 060