ЖУРНАЛ «СТА» №2/2004

ОБ ЗО Р / АППА РАТ НЫ Е С Р Е Д С Т В А 26 гамма интеллектуальных силовых мо- дулей (IPM) на 300 А/1200 В в двух- ключевом исполнении и 100 А/1200 В (одного ключа) в шести и семиклю- чевом исполнении. Функциональная схема таких модулей приведена на рис. 10. В качестве схем драйверов применяются высоковольтные сило- вые интегральные схемы, обеспечи- вающие, кроме формирования им- пульсов управления на затворы IGBT (5), также функции защиты силовых ключей от перегрузок по току (ОС — Over Current) — (6), включая короткое замыкание (SC — Short Current) — (7), защиту от перегрева (OT — Over Temperature) — (9), от аварии (недо- пустимого понижения) напряжения питания драйверов (UV — Under Voltage) — (8). В отдельных IPM до- бавлены гальваническая развязка управляющих сигналов (3), источни- ки питания драйверов (2). В следую- щих поколениях планируется вклю- чать в состав IPM также и контроллер управления (1). Внешними для IPM являются шина постоянного тока (выпрямитель 11) и нагрузка (двига- тель 12). Технологии корпусирования силовых приборов являются такой же важной проблемой, как и создание чипов. Без корпусирования невозможно подклю- чить силовой полупроводниковый прибор к источнику энергии и к на- грузке, невозможно подать сигнал управления и отвести выделяющееся тепло (напомним, что с поверхности полупроводникового кристалла необ- ходимо отводить тепло, в 1040 раз большее, чем выделяет кухонная элек- тропечь на максимальной мощности нагрева). Кроме того, надёжность ра- боты прибора зависит от качества и технологий корпусирования полупро- водниковых чипов. Поэтому и в на- стоящее время, и в будущем разработка и применение новых материалов и тех- нологий корпусирования будут опреде- лять развитие приборов силовой элек- троники [9]. В первые годы создания этих прибо- ров использовалось огромное разнооб- разие материалов, спаянных или сва- ренных вместе, несмотря на различие в коэффициентах теплового расширения (КТР), что не могло обеспечить высо- кую надёжность и термоциклоустойчи- вость полупроводниковых приборов паяной конструкции и конструкции с ультразвуковой разваркой Alпроволо- кой силовых и управляющих контактов на Siчип. В современных приборах си- ловой электроники эти недостатки уст- ранены за счёт применения новых тех- нологий соединения материалов, имеющих такой же, как у кремния, КТР: ● матричный композиционный мате- риал AlSiC (вместо меди или алюми- ния); ● Al 2 O 3 или AlN DCBкерамика (Direct Copper Bonding) или AMB керамика (Active Metal Brazing); ● технология прижимного контакта металлизированной керамики непо- средственно на охладитель (исклю- чение паяного слоя), реализованная фирмой Semikron в SKiiP и SKiMтехнологиях; ● исключение паяных и сварных со- единений в модулях прижимной конструкции (Press Pack Technolo- gy — рис. 11), обеспечивающих наи- высшую надёжность и практически неограниченную энерготермоцикло- устойчивость. Наряду с применением перечислен- ных материалов (AlSiC, DCB Al 2 O 3  или AlNкерамика) проводятся иссле- дования по использованию других ма- териалов для улучшения тепловых и механических характеристик (нитрид кремния Si 3 N 4 , графит, алмаз) и техно- логий соединения: замена паяных со- единений на непаяные, низкотемпера- турная пайка на основе серебра — NTV (Niedertemperaturverbindungstechnik), способная заменить все соединения в силовых модулях. Важную роль при создании высоко- интегрированных силовых полупро- водниковых приборов играет исполь- зование современных мощных систем автоматизированного моделирова- ния/проектирования (CAD/CAM), обеспечивающих трёхмерное (3D) мо- делирование и проектирование прибо- ров, моделирование схем, включая коммутационные процессы с учётом паразитных элементов, 3Dмоделиро- вание механических и тепловых харак- теристик, 3D автоматизированное про- ектирование конструкции, включая размещение элементов и трассировку проводников, получение рабочей ин- СТА 2/2004 www.cta.ru Рис. 9. Разрез силового интеллектуального модуля Al DCB CU Si Рис. 10. Функциональная схема интеллектуального модуля 1 2 3 4 5 6 7 8 6 7 8 9 t,°C 10 11 12