Разобраны ключевые проблемы применения дискретных компонентов. Определены основные преимущества модулей с изолированным основанием.
Ключевые слова: MOSFET, дискретные компоненты, тепловое сопротивление, изолированное основание, преобразователь, силовая электроника.
Введение. Наряду с такими технологиями, как: средства связи, вычислительная техника, газовая и нефтяная энергетика на первый план выходит и силовая электроника. Такая тенденция отображает зависимость общества от энергоресурсов и проблему их экономного использования. Ввиду того, что электроэнергия является наиболее универсальным, экологичным и удобным для применения и транспортировки видом энергии. Потребность в нем неизбежно растет, как растет и стремление к максимизации экономической эффективности, что включает уменьшение себестоимости изделий, снижение энергозатрат на единицу продукции и повышение КПД силовой преобразовательной техники.
Основная часть. SiC MOSFET транзисторы получили наибольшее распространение в дискретных корпусах. Например, TO-247 и его модификации, которые ввиду низкой стоимости корпусировки и привычной конструкции позволили дискретным SiC MOSFET получить широкое распространение. Корпус TO-247 был представлен в 1990-х, его системные недостатки и сборок на его основе ограничивают потенциал технологии SiC в части рабочей частоты, плотности мощности, технологичности и, соответственно, массовости и стоимости. Основные недостатки дискретных SiC MOSFET приведены ниже:
— Высокая индуктивность сборки полумост (индуктивность силового контура полумоста из двух TO-247 приблизительно равна 12 нГн);
— Сложность масштабирования;
— Отсутствие собственной изоляции;
— Трудозатратность, сложность монтажа, необходимость прокладок и прижимов;
— Высокое тепловое сопротивление кристалл-охладитель (Из-за керамических прокладок и термопасты).
Ведущие мировые производители силовой электроники постоянно модернизируют свои продукты, применяя новейшие технологии они повышают эффективность модулей и снижают затраты на их производство и производство сборок на их основе. На рисунке 1 изображены пути развития технологий, применяемых в силовых полупроводниковых модулях с изолированным основанием, за последние 10–15 лет.
Рис. 1. Направления развития технологий, применяемых в современной силовой электронике
Ввиду этого, современный, передовой SiC MOSFET модуль с изолированным основанием, выступающий аналогом дискретным компонентам, обладает следующим перечнем преимуществ:
— Сборка полумост, низкая индуктивность (мировые производители обеспечивают значения в 5 нГн для силового контура полумоста);
— Нативная изоляция;
— Высокая циклостойкость (благодаря отказа от пайки в сторону синтеринга и корпусированию с помощью Transfer molded технологии);
— Удобство монтажа (ввиду самодостаточности модуля в части изоляции и отсутствия строгой стандартизации с возможностью кастомизации отдельных интерфейсов);
— Низкое тепловое сопротивление кристалл-охладитель.
Для обоснования модульной компоновки перед дискретной, в части теплового сопротивления, проведено моделирование с использованием программного обеспечения кончено-элементного анализа. Подготовлены модели, где два одинаковых SiC MOSFET кристалла были размещены: в первом случае, в сборку, соответствующую структуре теплоотвода дискретного транзистора, а во втором случае структуре теплоотвода соответствующую современному модулю с изолированным основанием. Граничные условия и свойства материалов для сборок были идентичны. С применением средств физического моделирования, были получены карты температур установившегося состояния, из которых вычленены точки для расчета теплового сопротивления кристалл — охладитель. Результаты моделирования приведены на рисунке 2.
Рис. 2. Результаты моделирования теплового сопротивления (слева дискретный компонент, справа модуль с изолированным основанием)
Исходя из результатов моделирования, модуль с изолированным основанием позволяет достичь снижения значения теплового сопротивления кристалл — охладитель на 58 %, в сравнении с ТО-247 и пропорционально увеличить рассеиваемую мощность, тем самым повысить эффективность сборки.
Дополнительно, непосредственный синтеринг на охладитель позволяет отказаться от крепежных компонентов и элементов конструкции модуля, снижая габарит и себестоимость как модуля, так и сборки в целом.
Заключение. Повышение экономической эффективности и повышение КПД компонентов в силовой электроники, позволит решить большое количество проблем современного человека. Существует несколько путей достижения описанных выше тезисов, как один из перспективных, стоит рассмотреть замену дискретных SiC MOSFET на их модульные аналоги. Современные SiC MOSFET модули с изолированным основанием преодолевают имеющиеся ограничения дискретных аналогов, сохраняя главное их достоинство — низкую себестоимость.
Литература:
- Ланцов В., Успехи, трудности и проблемы на пути развития силовой электроники в России [Текст] / В. Ланцов // Силовая электроника. — 2008. — № 4. — с. 4–8.
- Винтрих А., Нормирование теплового сопротивления IGBT [Текст] / А. Винтрих // Силовая электроника. — 2017. — № 2. — с. 16–23.
