НОВЫЕ ДВУХПОЗИЦИОННЫЕ ТИРИСТОРНЫЕ МОДУЛИ НА ТОК 700 А С МЕНЬШИМИ СТАТИЧЕСКИМИ И ТЕПЛОВЫМИ ПОТЕРЯМИ

В статье рассматриваются результаты модернизации силовых двухпо‑ зиционных тиристорных и тиристорно–диодных модулей модификаций Мт3, Мт4, Мт5, Мт/Д3, Мт/Д4 и Мт/Д5 с шириной основания 60 мм, рассчи‑ танных на напряжение 1800 В.
Введение
В настоящее время модернизация конструкции дискретных полупроводниковых приборов для повышения ресурса их работы, снижения электрических и тепловых потерь, а также повышения рабочих мощностей остается одним из актуальных вопросов для низкочастотных силовых полупроводниковых тиристоров и диодов. Это обусловлено, в первую очередь, постоянным ростом производства, передачи, преобразования и потребления энергии, а также необходимостью постоянного улучшения параметров и технико-экономических показателей преобразовательной техники. Однако применение типовых (для современных IGBT-модулей) подходов по повышению мощности силовых тиристоров и диодов не всегда целесообразно, т. к. эти подходы заключаются в достаточно долгой и дорогостоящей модернизации, включающей в себя применение более дешевых и прогрессивных композитных материалов, сокращению количества элементов конструкции, а также изменению отдельных элементов конструкции для сокращения себестоимости массового производства. С учетом этих подходов срок вывода модернизированного продукта на рынок вырастает до двух–трех лет (которых зачастую нет у клиента), а затраты на разработку изделия увеличиваются до 300–400 тыс. евро, что негативно отражается на экономическом эффекте от внедряемых усовершенствований. К тому же, возникают дополнительные риски, например в части длительных полевых испытаний у потребителя или сложностей при сертификации продукции. В связи с этим подход по оптимизации параметров и характеристик силовых полупроводниковых элементов с минимальным уровнем переработки прочих элементов конструкции на настоящий момент остается актуальным, причем использование современных средств моделирования позволяет уменьшить итерационность модернизации, сократить затраты на разработку и время вывода усовершенствованного изделия на рынок до величины менее одного года.
Рисунок 1
Рисунок 2
Внешний вид модуля А2 с шириной основания 60 мм
Существующая линейка модулей А2
Снижение статических и тепловых параметров в двухпозиционном модуле с шириной основания 60 мм
По запросу от потребителя была проведена модернизация двухпозиционного силового тиристорного модуля типа А2 с шириной основания 60 мм, рассчитанного на напряжение 1800 В и средний ток 540 А (внешний вид модуля изображен см. на рисунке 1). Текущая продуктовая линейка модулей типа А2 представлена на рисунке 2. В этом варианте конструкции электрический и тепловой контакт полупроводниковых элементов обеспечивается за счет прижимной конструкции, что обуславливает повышенную циклостойкость и стойкость к ударным токам.
В процессе моделирования основных электрических параметров и характеристик были определены следующие решения, обеспечивающие требуемые тепловые и электрические потери модуля:
- увеличение диаметра полупроводникового элемента и оптимизация топологии для увеличения активной площади катода на 10%;
- снижение удельного электрического сопротивления исходной кремниевой пластины;
- снижение толщины диффузионного элемента и оптимизации диффузионного профиля (на рисунке 3 приведены расчетные и экспериментальные данные). В результате изготовления опытной партии и проведения квалификационных испытаний были подтверждены основные результаты моделирования: 1) статические потери: снижение порогового напряжения (VT(TO)) на 5%, динамического сопротив ления (rT) – на 10%. На рисунке 4 приведены расчетные и экспериментальные данные по статическим потерям в открытом сос тоянии стандартного тиристорного модуля МТ*-540–18-А2 и оптимизированного МТ*-700–18-А2 в сравнении с измеренными значениями по аналогам от других производителей. 2) Тепловые потери: снижение теплового сопротивления «переход – корпус» (Rthjc) на 10%. На рисунке 5 приведены экспериментальные значения теплового сопротивления стандартного МТ*-540–18-А2 и оптимизированного МТ*-700–18-А2 тиристорного модуля в сравнении с измеренными значениями аналогов от других производителей. 3) ударный ток в открытом состоянии увеличен на 20% при максимальной температуре p­n-перехода Tjmax = 130°C. На рисунке 6 приведены экспериментальные значения ударного тока в открытом состоянии для стандартного МТ*-540–18-А2 и оптимизированного МТ*-700–18-А2 тиристорного модуля в сравнении с измеренными значениями аналогов от других производителей. Таким образом, в ходе модернизации был разработан двухпозиционный модуль МТ*-700–18 с увеличенным средним током в открытом состоянии (ITAV) на ~ 30% до 700 А при температуре корпуса ТС= 80°C и максимальной температуре p­n-перехода Tjmax = 130°C. При этом прочие электрические параметры и характеристики модуля не изменились. На рисунке 7 представлена текущая линейка двухпозиционных модулей А2 с шириной основания 60 мм производства «Протон-Электротекс» с учетом нового 700-А модуля. Основные отличия норм параметров стандартного МТ*- 540–18-А2 и оптимизированного МТ*-700–18-А2 представлены в таблице.
Рисунок 3
Расчетные диффузионные профили стандартного МТ*-540-18-А2 и оптимизированного тиристорного модуля МТ*-700-18-А2 в сравнении с экспериментальными данными
Рисунок 5
Тепловое сопротивление «переход–корпус» стандартного МТ*-540-18-А2 и оптимизированного модуля МТ*-700-18-А2
Рисунок 7
Обновленная линейка модулей А2
Рисунок4
Статические потери стандартного МТ*-540-18-А2 и оптимизированного МТ*-700-18-А2 тиристорного модуля
Рисунок 6
Ударный ток стандартного МТ*-540-18-А2 и оптимизированного модуля МТ*-700-18-А2
Таблица
Сравнение норм параметров
Выводы
В этой работе продемонстрированы результаты модернизации силовых двухпозиционных тиристорных и тиристорно–диодных модулей модификаций МТ3, МТ4, МТ5, МТ/Д3, МТ/Д4 и МТ/Д5 с шириной основания 60 мм, рассчитанных на напряжение 1800 В со сниженными тепловыми и электрическими потерями. В результате модернизации был получен модуль с увеличенным до 700 А средним током в открытом состоянии, характеризующийся меньшим тепловым сопротивлением «p­n-переход – корпус», пороговым напряжением и динамическим сопротивлением, а также сравнительно большим ударным током при тех же показателях надежности и долговечности изделия