Новый термопластичный композитный материал SMD типа IPM

Новый силовой модуль SMD IPM

Компания Mitsubishi Electric представила новый силовой модуль SMD в своем портфолио – MISOP™. MISOP™ идеально подходит для высокопроизводительных инверторов мощностью около 100 Вт, требующих компактности, высокой эффективности и простоты сборки.

Авторы: Нарендра Лакшмананан и Музаффер Албайрак из Mitsubishi Electric Europe B.V. (Германия) и Теруаки Нагахара из Mitsubishi Electric Power Device Works (Япония)

Введение

В таких приложениях, как маломощные приводы (в диапазоне 100 Вт), предъявляются специфические требования к конструкции источника питания. Источник питания включает в себя силовой полупроводниковый модуль и сопутствующие компоненты (такие как управление затвором, управление, защита и радиатор), которые собираются на одной печатной плате (PCB). Данный модуль должен обладать максимально возможной эффективностью и отличаться компактными размерами. Кроме того, ожидается, что модули смогут быть установлены на печатную плату с минимальными усилиями. Учитывая особые требования таких приложений, разрабатываются модули MISOP™ (Mitsubishi Electric Intelligent Small Outline Power Module) в диапазонах 1A/600V и 3A/600V. MISOP™ — ​​это интеллектуальный силовой модуль (IPM) для поверхностного монтажа (SMD), состоящий из интегрированных компонентов драйвера затвора и диода бутстрепа.

Рисунок 1: Размеры корпуса и расположение выводов MISOP™ с указанием соответствия стандарту IEC60335-1

Этот продукт является новым дополнением к семейству продуктов Mitsubishi DIPIPM™, которое включает в себя переносные полупроводниковые модули, оптимизированные для приложений, требующих высокой компактности и высокой эффективности работы.

Высокооптимизированный SMD:

MISOP™ основан на 7-м поколении Mitsubishi Технология IGBT-чипов. Эта технология 7-го поколения представляет собой технологию IGBT с низкими потерями и тонким кристаллом, которая позволяет оптимизировать баланс между эффективностью и размером IGBT-чипа. В дополнение к присущим технологиям 7-го поколения преимуществам, технология RC позволяет значительно оптимизировать габариты силового модуля, поскольку IGBT и диод интегрированы на одном кристалле. В результате, при таком подходе не требуется размер кристалла, обычно используемый для диодных матриц, поэтому IGBT и диоды, необходимые для трехфазного инвертора, эффективно размещаются в одном корпусе, эквивалентном корпусу SLIMDIP™. На рисунке 1 показан размер корпуса, а на рисунке 2 – внутренняя топология схемы силового модуля. Распиновка аналогична модулю SLIMDIP™ от Mitsubishi из серии DIPIPM™, а стандарт изоляции был разработан с учетом требований рынка к сквозным и чистым расстояниям.

Рисунок 2: Внутренняя топология MISOP™

Распиновка также соответствует стандарту IEC60335-1. Этот продукт разработан в корпусе SMD. Он не имеет сквозных выводов и может быть припаян к печатным платам с использованием метода рефлюксной пайки для оптимизации процесса сборки. Продолжая концепцию серии DIPIPM™, MISOP™ также имеет интегрированные компоненты управления затвором. Модуль оснащен встроенными микросхемами драйверов: низковольтной интегральной схемой (LVIC) для управления низковольтными переключателями и высоковольтной интегральной схемой (HVIC), использующей топологию бутстрепа для управления высоковольтными переключателями (с бутстрепными диодами и токоограничивающими резисторами). Полная интеграция функций драйвера и защиты гарантируется в соответствии со стандартами качества Mitsubishi и снижает частоту отказов всего инвертора. Кроме того, эта полная интеграция оптимизирует количество периферийных компонентов, упрощая управление запасами. Встроенные микросхемы драйверов затвора также выполняют несколько важных функций защиты. На рисунке 3 показана схема проводимости, которую необходимо установить в приложении с использованием MISOP™. Подход MISOP™ исключает необходимость множества нежелательных пересечений на печатных платах и ​​даже позволяет использовать одностороннюю плату. В результате значительно упрощается проектирование печатной платы, необходимое для использования MISOP™.

Рисунок 3: Пример необходимой схемы применения для MISOP™, показывающий соединения с резисторами датчика, конденсаторами бутстрепной схемы, управляющим входом, управляющим питанием и клеммами питания.

Анализ производительности

Растущее глобальное осознание необходимости сокращения выбросов углекислого газа в сочетании с коммерческими преимуществами снижения энергопотребления устройств побуждает производителей инверторов (для таких применений, как небольшие вентиляторы или насосы) с выходной мощностью в диапазоне 100 Вт использовать силовые полупроводники, обеспечивающие максимально возможную эффективность работы. Поэтому, помимо преимуществ компактности и простоты проектирования, MISOP™ должен хорошо функционировать в требуемых условиях эксплуатации.

На рисунке 4 показаны результаты моделирования характеристик рассеиваемой мощности с использованием устройства MISOP™ на 1 А для различных значений среднеквадратичного тока инвертора Iout(rms) и соответствующего увеличения ΔTj-c(average) для конкретных значений Iout(rms). Предположим, что инвертор имеет следующие номинальные рабочие условия: Iout = 0,283 А, Vcc = 300 В, fc = 20 кГц, pf = 0,8, индекс модуляции = 1; трехфазная выходная мощность составляет приблизительно 72 Вт при использовании устройства на 1 А (SP1SK) из семейства MISOP™. Из данных на рисунке 4 видно, что общая рассеиваемая мощность составляет приблизительно 2,76 Вт. Эти характеристики указывают на КПД силового модуля приблизительно 96%. Несмотря на компактные размеры MISOP™, видно, что этот модуль обеспечивает превосходные тепловые характеристики. Что касается тепловых характеристик, видно, что ΔTj-c(среднее) в этой рабочей точке составляет приблизительно 7 К для каждого RC-IGBT. В этих условиях эксплуатации (с использованием радиатора с воздушным охлаждением и эффективным Rthc-s = 16 К/Вт для всего модуля, при температуре окружающей среды приблизительно 40 °C) температура корпуса остается около 85 °C, а средняя температура перехода — около 92 °C. На рисунке 5 показаны тепловые характеристики модуля, полученные с помощью тепловизионной камеры (анализ проводился без использования дополнительного радиатора). Сочетание высокой эффективности работы и хороших тепловых характеристик позволяет инвертору достигать максимальной выходной мощности с использованием этого модуля MISOP.

Рисунок 4: Предварительные данные о тепловых и электрических потерях одного устройства RC-IGBT (MISOP™). Условия: Vcc = 300 В, fc = 20 кГц, pf = 0,8, M = 1, трехфазная модуляция, максимальное Rth(j-c), Tj = 125 °C, подключен радиатор.

Встроенные функции защиты

Наряду с требованием высокой энергоэффективности, необходимо также обеспечить, чтобы инвертор был разработан с силовым модулем с высокой эффективностью защиты от нерегулярных режимов работы. MISOP™ оснащен несколькими встроенными функциями защиты (см. Таблицу 1). Устройство обеспечивает возможность реализации защиты от короткого замыкания с помощью внешних измерительных резисторов, которые могут быть подключены к каждому из разомкнутых эмиттерных выводов. Для предотвращения риска перегрева во время работы предусмотрена встроенная функция защиты от перегрева (OT), а также возможность контроля температуры модуля с помощью точных аналоговых сигналов линейного напряжения (VOT), что может помочь определить точки снижения мощности для использования модулей с высокой удельной мощностью. Наличие функции «блокировочной защиты» является критически важным элементом реализации. Эта защитная функция предотвращает одновременное включение высоковольтных и низковольтных переключателей (такое включение вызовет короткое замыкание). Кроме того, предусмотрена система для обнаружения и сигнализации о сбоях напряжения питания управления. Нестабильный входной сигнал на управляющий источник питания может привести к неопределенным состояниям переключения и последующему тепловому разрушению силовых цепей. При возникновении неисправности в любом из переключателей на низковольтной стороне сигнал будет передаваться через сигнал Fo (за исключением функции блокировки).

#	Функции, доступные в MISOP™
1	Защита от пониженного напряжения (UV)
2	Защита от короткого замыкания (SC)
3	Защита от перегрева (OT)
4	Выходная информация о температуре (VOT)
5	Внутренняя защита от короткого замыкания > Блокировка (IL)
6	Выход ошибки (Fo)
7	Диоды бутстрапа (BSD)
8	Открытые контакты N-стороны: можно подключить три резистора датчика

Таблица 1: Список доступных внутренних функций в MISOP™

Краткое описание

Показатели эффективности, такие как APF (годовой коэффициент производительности), в последние годы приобретают все большее значение, что побуждает производителей таких устройств, как небольшие вентиляторы, насосы и различные другие устройства, требующие выходной мощности в диапазоне 100 Вт, Рассмотрите возможность использования силовых полупроводников, которые обеспечивают высокую эффективность работы. В то же время, необходимость оптимизации размеров инвертора приводит к необходимости создания высокооптимизированных силовых модулей. Кроме того, такой компактный силовой модуль должен быть прочным и обладать высокой надежностью. Технология MISOP™ была разработана для удовлетворения требований этого сектора. Помимо наличия встроенных функций (таких как функции защиты), корпус MISOP™ обеспечивает простой и эффективный процесс сборки. Следует также отметить, что система проводимости, необходимая для MISOP™, упрощает проектирование печатной платы благодаря аналогичной распиновке, как у модуля SLIMDIP™ от Mitsubishi, и адекватным расстояниям изоляции между контактами в соответствии со стандартом изоляции IEC60335-1.

Рисунок 5: Работа без радиатора, зафиксированная тепловизионной камерой - Vcc=270 В, VD=15 В, Io=0,12 и 0,28 А среднеквадратичного значения, fc=16 кГц, модуляция=1, трехфазный синусоидальный сигнал, естественная конвекция (без принудительного воздушного потока), Ta=20,9~21,6ºC, оценочная плата, типовые данные.

Ссылки

[1] Концепция семейства DIPIPM™ http://www.mitsubishielectric.com/semiconductors/products/powermod/dipipm/index.html
[2] Техническое описание - модуль SLIMDIP: http://www.mitsubishielectric.com/semiconductors/content/product/powermodule/dipipm/slimdip/slimdip-s_e.pdf
[3] Пресс-релиз: Компания Mitsubishi Electric запускает пакет обработки поверхностей MISOP IPM http://de.mitsubishielectric.com/de/newsevents/releases/global/2018/0416-a/index.page