Преимущества использования конструкции IPM и на что обратить внимание при выборе

Преимущества применения конструкции IPM и особенности выбора

Норман Дэй

Краткое введение

Поскольку силовая схема, управляющая одно- или трехфазным двигателем, уже стала достаточно зрелой и стабильной, силовой модуль, объединяющий силовой ключ и управляющую схему этой части, после своего появления оказал революционное влияние на концепцию проектирования систем частотных преобразователей. С развитием технологии корпусирования модулей и стремительным снижением стоимости он постепенно вытесняет традиционные компоненты и становится основным направлением проектирования систем. У этого интегрированного силового модуля есть широко употребимое название — интегрированный / интеллектуальный силовой модуль, сокращенно IPM [1]. К сожалению, большинство разработчиков по-прежнему воспринимают такие компоненты как «черный ящик». Они либо отказываются от них, опасаясь не справиться с возможными проблемами, либо могут лишь принимать на веру взгляды некоторых ведущих производителей и формировать расплывчатые представления. Однако ни первые, ни вторые не считают, что разработчик должен занимать выжидательную позицию по отношению к тенденции интеграции силовой электроники в корпусе. Только выбрав конкурентоспособную концепцию проектирования и полностью понимая характеристики и ограничения используемых компонентов, можно обеспечить, чтобы они не были вытеснены быстро меняющимся рынком.

Преимущества применения конструкции IPM

С точки зрения стоимости отдельного компонента IPM действительно трудно конкурировать с уже стандартизированными и массово выпускаемыми дискретными элементами в корпусах. Однако рассматривать разработку продукта только через призму материальных затрат — это не тот подход, который должен быть у инженера-проектировщика, поэтому уровень обсуждения необходимо расширить. Здесь автор делит его на три аспекта: производительность, надежность и цену, чтобы рассмотреть различия, возникающие при использовании IPM в качестве основы системного проектирования.

Производительность:

(1) Значительно уменьшить количество компонентов и требуемую площадь печатной платы

(2) Предоставить решения с высокой изоляцией и хорошим теплоотводом

(3) Существенно снизить сложность трассировки

(4) Снизить паразитную индуктивность соединения силового кристалла и цепи управления

Внутренне интегрированные кристаллы обладают сходными электрическими характеристиками

(6) Может в реальном времени реагировать на различные виды аварийной защиты

Преимущества первого пункта очевидны. На рис. (1) приведены количественные данные для справки. Второе преимущество обусловлено различиями в технологиях. При использовании традиционного дискретного элемента в проекте, поскольку исток или коллектор внутреннего силового кристалла напрямую соединен с открытым металлическим корпусом, для обеспечения высокой изоляции и удобного отвода тепла, помимо выбора изолирующей прокладки с высокой удельной стоимостью, усложняется и производственный процесс, затрудняется контроль дефектов собранного готового изделия, а это очень дорого

затрачиваемое на сборку время. IPM ломает представление о том, что традиционная конструкция может лишь обходить перечисленные выше проблемы, и предлагает действительно эффективное решение с высокой изоляцией и хорошим теплоотводом. Диаграмма на рис. (2) более наглядно подтверждает этот вывод.

На рис. (3) показана схема на традиционных компонентах, а на рис. (4) — схема с использованием IPM. Оба варианта выполняют одну и ту же функцию, но схема, построенная на IPM, значительно проще. По сути, схема на рис. (IV) выше в основном демонстрирует упрощение по сравнению между силовой цепью и цепью управления. Если также показать дальнейшее упрощение схемы за счет вспомогательного источника питания и измерения тока, соответствующих IPM, на рис. (IV), разница в степени упрощения схемы будет еще более заметной.

В традиционных требованиях к проектированию компонентов всегда стремятся как можно сильнее снизить индуктивность утечки соединений между проводниками и максимально укоротить петлю между IGBT и управляющей микросхемой, чтобы получить меньшие коммутационные перенапряжения и помехи в линии. Однако, если взять в качестве примера схему на рис. (5), соединение коллектора и эмиттера IGBT имеет паразитную индуктивность различной величины. Чтобы уменьшить эти эффекты, путь между традиционными корпусами должен быть коротким и широким. Поэтому приходится использовать многослойную печатную плату или увеличивать ее площадь, чтобы удовлетворить таким требованиям. IPM хорошо решает эти паразитные эффекты на уровне корпуса. Причина в том, что как бы близко управляющая микросхема ни располагалась к силовому ключу (IGBT или силовому MOSFET) при компоновке на печатной плате, она все равно не будет ближе, чем если разместить ее непосредственно рядом с силовым ключом в виде голого кристалла. Аналогично, если каждый силовой ключ напрямую соединен на выводной рамке методом проволочного бондинга, это будет намного меньше, чем соединение через вывод самого традиционного компонента и затем через медную фольгу на печатной плате.

Особенность, упомянутая в пятом пункте, заключается в том, что IPM позволяет напрямую решить проблему контроля дефектов сборки на уровне кристалла, которая беспокоит разработчика системы.

Японские производители обычно занимают строгую позицию в отношении сборки систем. На практике характеристики каждого силового кристалла измеряют до монтажа на линию. В процессе производства и сборки компоненты со схожими характеристиками необходимо устанавливать на одну и ту же печатную плату, чтобы снизить потенциальные проблемы, вызванные отклонением параметров компонентов в системе при массовом производстве. Например, если задержка выключения и время выключения верхнего плеча соответствуют спецификации, но находятся близко к ее верхнему пределу, а характеристики включения верхнего плеча, наоборот, на другом конце диапазона, то при добавлении нелинейного эффекта, вызванного ростом рабочей температуры, вероятность одновременного включения верхнего и нижнего плеча при переключении значительно возрастает, что приводит к дополнительному энергопотреблению. Более того, исходный расчет радиатора основывался на предположении, что тепловыделение каждого кристалла одинаково, но если то же предположение справедливо и для параметра V(CE), неравномерное распределение тепла может дополнительно вызвать тепловой разгон и привести к отказу системы. Однако в данном случае из-за исключения по согласованию

Потенциальные проблемы, вызванные этим, либо игнорируются разработчиками, либо отвергаются руководством из-за влияния на прибыль и затраты. Даже если такая концепция признается, разработчик может лишь увеличить запас по проектированию, чтобы компенсировать ее, например увеличить мертвое время и площадь радиатора, чтобы получить более низкую рабочую температуру и т. д.; однако за это приходится платить снижением производительности системы и ростом материальных затрат. На самом деле после тестирования каждой пластины уже существует диаграмма распределения характеристик каждого кристалла, но информация об этом распределении исчезает, когда каждый кристалл на пластине упаковывается в корпус типа TO-220 или TO-247; то же самое относится и к высоковольтной ИС, используемой для управления силовым кристаллом. Производственный процесс IPM начинается с целой пластины, поэтому на этапе монтажа кристаллов он позволяет обеспечить симметрию и согласование характеристик трех фаз в одном модуле, используя метод, при котором характеристики соседних кристаллов максимально близки. Иная логика проектирования позволяет легко решить эту сложную задачу традиционного подхода.

Результат шестого пункта является следствием улучшения четвертого пункта. Своевременность срабатывания защиты зависит от разницы на уровне мкс и даже нс. Избежать сбоев системы и повысить оперативность защиты — для разработчиков систем это часто дилемма. Поэтому снижение паразитной индуктивности позволяет не только уменьшить задержку передачи самого аномального сигнала, но и сократить постоянную времени фильтрующей цепи, тем самым повышая скорость отклика ИС на аномальный сигнал. Таким образом также можно снизить вероятность отказа, вызванного несвоевременным срабатыванием аварийной защиты.

Надежность

(1) Значительно снизить потенциальные риски, возникающие у производственного персонала из-за сложного процесса сборки

(2) Обеспечить более прочную конструкцию, чем у традиционных корпусов

(3) Вся система будет иметь более низкий уровень отказов

Повышение по первому пункту очень существенно. Монтаж традиционных компонентов не только сложен, но и многократно повторяется, поэтому трудно предотвратить такие проблемы, как нарушения соосности, незатянутая стопорная гайка изолятора, скрытые трещины во внутреннем кристалле, повреждение изоляционной прокладки. Кроме того, эти потенциальные проблемы могут быть выявлены неэффективно. Поэтому, если из-за требований по номиналу полупроводниковые компоненты приходится соединять параллельно, число кристаллов может увеличиться с шести до двенадцати и более, а вероятность потенциального отказа, вызванного сборкой, возрастает. На рис. (6) приведенное выше объяснение наглядно показано в иллюстрации.

Как правило, вибрационные нагрузки у дискретных компонентов легко передаются через вывод к внутреннему кристаллу — будь то при затяжке винта, при подгибке выводов или даже при транспортировке готового изделия. Механические напряжения, воздействующие на кристаллы, в основном возникают из-за деформации, вызванной изменением температуры внутри микросхемы или в рабочей среде корпуса. Поэтому как при прямом воздействии на этапе сборки, так и косвенно — из-за деформации, вызванной термошоком, — IPM предлагает более прочное конструктивное решение, чем исходные раздельные компоненты.

Третий аргумент основан на том, что если уровень отказов IPM сопоставим с уровнем отказов традиционных компонентов, то для достижения эквивалентного функционального режима требуется использовать 20 или 30 компонентов. Следовательно, вероятность отказа всей системы естественным образом намного выше, чем при использовании всего одного компонента. Однако обоснованность этого преимущества затрагивает широкий круг вопросов. Возможно, в будущем можно будет посвятить этому отдельную тему для обсуждения.

Общая стоимость

(1) Снижение затрат на качество благодаря повышению надежности

(2) Значительно сократить время разработки продукта для инженеров

(3) Снизить затраты на сверление радиатора и изготовление печатной платы

(4) Сократить трудозатраты производственного персонала на сборку и контроль

Нетрудно предсказать указанные выше преимущества, однако количественные результаты необходимо дополнительно оценивать на основе процедур разработки и затрат на качество каждой компании. Автор считает, что хотя результаты, возможно, и не побудят вас отказаться от традиционной зрелой схемы и выбрать IPM, такой шаг однозначно полезен для мышления при выборе схемы и проектировании системы.

Меры предосторожности при выборе IPM

Хотя применение IPM в качестве основы проекта имеет множество преимуществ, с точки зрения зрелости рыночной проверки и сложности самих компонентов IPM все еще не так прост в освоении, как традиционные раздельные компоненты, поэтому при выборе модуля IPM

к проектированию блоков следует подходить особенно внимательно. Следующее обсуждение может послужить разработчикам некоторыми ориентирами.

Соображения, ориентированные на цепочку поставок

(1) Способность поставщиков и производителей контролировать отклонения процесса

(2) Есть ли альтернативное решение, если у поставщика нет товара на складе

(3) Техническая поддержка поставщика и механизм комплексного обеспечения качества в цепочке поставок для клиентов

(4) Улучшение и контроль управления отзывами о применении на рынке

Соображения по проектированию модуля

(1) Конструкция корпуса

(2) Является ли компоновка внутренних компонентов рациональной

(3) Насколько легко освоить проектирование периферийной согласующей цепи

(4) Мощность драйверной ИС и силового полупроводникового кристалла

Из-за ограничений по объему ниже рассматриваются только ключевые моменты, относящиеся к проектированию модуля.

Конструкция корпуса

Характеристики качественной конструкции силового корпуса

Хорошая конструкция силового корпуса должна отличаться высокой прочностью конструкции, простотой технологического процесса, высокой изоляцией, хорошей теплопроводностью и низким тепловым сопротивлением.

Насколько высока прочность конструкции, определяет, подвержены ли стыковые поверхности внутри модуля и сама материальная система дефектам и отказам при быстрых температурных изменениях и длительной механической вибрации.

Простой процесс показывает, что процесс хорошо контролирует отклонения, а потенциальные дефекты в процессе можно легко выявить.

Требование хорошей теплопроводности заключается в том, чтобы при мгновенном возникновении у полупроводникового элемента высокой рассеиваемой мощности (например, при коротком замыкании или аномальном переключении) тепло могло быть мгновенно отведено, и полупроводниковый элемент не вызвал эффект локального перегрева, приводящий к мгновенному выгоранию.

Цель низкого теплового сопротивления — отводить тепло после того, как нагревающийся элемент достигнет установившегося теплового равновесия, чтобы не вызывать накопление тепла и преждевременный отказ компонентов.

Различия различных конструкций силовых корпусов

Рисунок 7 Рисунок 8 Рисунок 9

Рисунки (7), (8) и (9) представляют собой типичные на рынке структуры корпусирования IPM. Далее на основе приведённых выше выводов мы проанализируем преимущества и недостатки этих трёх структур.

Структура на рисунке (7) такова: драйверный ИС и силовой полупроводник размещены на выводной рамке в одной плоскости, керамическая подложка напрямую используется как материал для изоляции и отвода тепла к радиатору, а затем вся конструкция покрывается компаундом, аналогичным корпусированию дискретных элементов. Такую конструкцию можно назвать простой и высокопрочной, однако ниже описаны несколько моментов, требующих особого внимания.

Во-первых, хотя керамическая подложка и является высокоизоляционным материалом, она не относится к материалам с хорошей теплопроводностью, поэтому с рассеянием кратковременных локальных горячих точек она справляется сравнительно плохо. Поэтому необходимо особенно внимательно проверить, может ли несущая силовая полупроводниковая рамка обеспечить кратковременный отвод тепла без образования горячих точек. В то же время тепловое сопротивление керамической подложки той же толщины значительно выше, чем у алюминия, не говоря уже о меди. Следовательно, при одинаковой температуре радиатора температура силового кристалла внутри модуля будет выше, чем у модуля с алюминиевой или медной основой. Иными словами, диапазон безопасной работы модуля будет сравнительно уже. Единственный способ для разработчика быть полностью уверенным — это не полагаться только на расчётные оценки, а проводить собственные измерения по спецификации.

Во-вторых, это материалы и технология, используемые для поверхности соединения керамической подложки, поскольку от них зависит, не приведёт ли длительная эксплуатация к расслоению, из-за которого температура полупроводника не сможет нормально отводиться и он выйдет из строя. Разработчик может запросить у поставщика условия испытаний по этому вопросу и затем сопоставить их с реальной системой.

Выводная рамка образует две разные плоскости. Цель понижения выводной рамки состоит в том, чтобы плоскость силового кристалла была максимально близка к поверхности компаунда IPM, контактирующей с радиатором. Такая конструкция позволяет после установки кристаллов непосредственно выполнять литьё и герметизацию без дополнительных согласующих материалов и последующих технологических операций.

Помимо толщины изоляции, это также наиболее экономичная структура. Рекомендуется сопоставить радиатор системы, максимально возможную рабочую температуру и рабочее напряжение реальной системы, чтобы определить предельный диапазон модуля.

Является ли компоновка внутренних компонентов рациональной

Проверьте, рационально ли расположены внутренние компоненты, включая то, размещён ли источник тепла (в основном это силовые кристаллы) на выводной рамке для обеспечения равномерного распределения тепла, совпадает ли задержка управления трёхфазных силовых кристаллов и симметрична ли токовая цепь силовых кристаллов верхнего и нижнего плеч.

Стоит отметить, что разработчики часто видят в спецификации рекомендации для IPM (как показано в таблице 1), согласно которым напряжение звена постоянного тока системы не должно превышать 450 В, а коммутируемое напряжение — 500 В. Это связано с тем, что в IPM из-за проводников и выводной рамки образуется эквивалентная паразитная индуктивность,

И скачок напряжения может быть значительно выше, чем напряжение, измеренное на выводе IPM. Чтобы гарантировать, что падение напряжения на внутреннем силовом кристалле не превысит номинальные 600 В, и установлен такой ограниченный диапазон.

Но на самом деле это связано с тем, что паразитная индуктивность выводной рамки и проводников составляет около 10–20 нГн, а скорость изменения тока при переключении IPM редко превышает 400 А/мкс (обычно находится в диапазоне 200–300 А/мкс). Таким образом, разница между напряжением на выводе и внутреннем IGBT из-за скачка напряжения должна быть менее 10 В, и результаты практических измерений это подтверждают. Кроме того, почти все IGBT на 600 В имеют запас более 100 В. Иными словами, маловероятно, что напряжение на выводе IGBT внутри IPM превысит предельный диапазон и приведёт к пробою при переключении. Следует отметить, что для дополнительного запаса по области, в которой потребляемая мощность IPM при переключении не должна выходить за пределы безопасной работы, вероятность превышения допустимой мощности значительно выше, чем вероятность превышения допустимого напряжения. Однако можно ожидать, что чем больше проектный запас, тем ниже будет уровень отказов в реальном применении. Когда сложно оценить мгновенный ток, снижение напряжения на p-n-переходе является необходимым критерием проектирования.

На самом деле связь между определением и измерением области безопасной работы силового кристалла, его полевым применением и уровнем отказов — это не только специфическая тема IPM, но и глубокая и широкая тема в зрелом корпусировании дискретных компонентов. Возможно, в следующий раз ей можно будет посвятить отдельную статью.

Легко ли освоить проектирование внешних согласующих цепей

В большинстве схем внешних согласующих цепей для IPM различий немного. В общих чертах всё сводится к тому, что достаточно правильно разместить три плавающих источника питания и резисторы защиты от короткого замыкания верхнего плеча в соответствии с эталонной схемой, как показано на рисунке (11), а затем подключить управляющие сигналы шести плеч. Однако не факт, что каждый модуль действительно так же прост в проектировании, как утверждает руководство. На самом деле критерии оценки этой части должны определяться выбранными в модуле полупроводниковыми компонентами и условиями применения системы. В частности, следует учитывать проблемы, которые могут быть обусловлены специальным драйверным ИС, выбранным IPM. Подробно это обсуждается в ссылке [2].

Кроме того, стоит отметить вопрос, какой способ управления драйвом более надёжен — с положительной или отрицательной логикой. Автор столкнулся с весьма опытным директором по проектированию, который доверял заявлениям ведущих японских производителей и считал, что управление с положительной логикой намного надёжнее, чем с отрицательной. На самом деле отрицательная логика обладает высокой помехоустойчивостью

Когда питание IPM выходит за норму, переключатель можно безопасно отключить. У обоих способов управления есть свои преимущества и недостатки. Нельзя однозначно сказать, какой из них надёжнее.

Ссылаясь на рисунок (XII), когда уровень помех превышает уровень управления, распознаваемый IPM, при отрицательной логике механизм заключается в выключении IGBT, а при положительной логике — во включении IGBT. Как правило, состояния переключения верхнего и нижнего плеч в основном комплементарны. Поэтому для IPM, управляемого отрицательной логикой, отключение IGBT, который должен был быть включён, максимум на несколько мкс лишь снижает использование напряжения, тогда как для IPM, управляемого положительной логикой, существует опасность одновременного открытия верхнего и нижнего плеча и возникновения сквозного тока в плече. Кроме того, при непосредственном управлении, хотя для отрицательной логики требуется подтягивающий резистор, способность общего MCU отдавать ток обычно слабее, чем способность его стока, примерно в 1/5–1/10 раза. Поэтому риск при положительной логике возникает, когда выходной порт MCU требует высокого выходного тока, и уровень управления может быть сработан

Однако при отрицательной логике, когда на выходе высокий уровень, управляющий порт имеет высокое сопротивление, а ток управления обеспечивается источником питания через подтягивающий резистор, поэтому проблемы, характерной для управления с положительной логикой, не возникает.

Высокая надёжность драйверного ИС и силового полупроводника

Хотя IPM предоставляет множество преимуществ, недоступных традиционным компонентам, за счёт изменения типа корпусирования, следует помнить, что это не меняет функций и характеристик самой полупроводниковой основы. Поэтому если выбранные драйверный ИС и силовой полупроводниковый кристалл имеют ограничения и дефекты применения, IPM

Эти ограничения и дефекты неизбежно будут существовать. Например: если выбран IPM производителя A

Силовой ключ выполнен на IGBT с NPT-технологией, тогда как у IGBT с PT-технологией, выбранного производителем B, характеристики двух IPM будут различаться. Ставшая недавно популярной trench-технология также является производной PT-технологии. Хотя она значительно улучшает недостаток медленной коммутации традиционного PT-IGBT, ей также присущи слабая способность выдерживать ток короткого замыкания и высокая чувствительность параметров к изменению температуры. Используемый драйверный ИС тот же самый. Поэтому если удаётся полностью понимать предельный диапазон выбранного для IPM полупроводника по изменению температуры, di/dt, dv/dt и мгновенному отрицательному напряжению и тем самым подобрать IPM, подходящий для требований системы, то проект уже более чем наполовину успешен.

По собственному опыту автора, ускоренные климатические испытания позволяют легко выявить недостатки конструкции системы благодаря сочетанию температурных, вибрационных, напряженческих и токовых нагрузок, но при этом сильно затрудняют анализ причин отказа. Если разработчику уже ясно, как характеристики различных компонентов влияют на систему в схеме с дискретными компонентами, рекомендуется запросить у поставщика спецификационные характеристики, данные по надёжности и опыт рыночного применения полупроводников, выбранных в IPM, в традиционных корпусированных компонентах; это, как считается, очень поможет при проверке надёжности IPM и причин отказов в дискретном решении.

Вывод

Хотя IPM предлагает решения для трёхфазных приводов двигателей или трёхплечих топологий систем бесперебойного питания, позволяющие упростить проектирование системы и повысить удельную мощность, из-за своих уникальных требований к корпусированию и производственных методов он по-прежнему, похоже, с трудом может конкурировать со стандартизированными и массово выпускаемыми дискретными компонентами по стоимости одного элемента. Однако по непреложному закону, согласно которому затраты на любую новую технологию со временем неизбежно снижаются, тенденцию замещения традиционного корпусирования силовым интегральным корпусированием не удастся избежать. Помимо чёткого объяснения различий в характеристиках, надёжности и общей стоимости, возникающих при использовании IPM в проектировании системы, также в сочетании

Мышление разработчиков модуля и разработчиков системы даёт читателю разные уровни подходов к пониманию и выбору IPM. В то же время в статье дополнительно проясняются некоторые кажущиеся правдоподобными, но ошибочные представления. Надеемся, что читатели, которым интересны IPM или которые уже использовали их, смогут лучше разобраться в таких компонентах

Список литературы:

1. Дай Чжичжань, «Введение в корпусирование и применение интеллектуального силового модуля», Motor Technology E-learning Network, № 94, сентябрь 2004 г.

2. Дай Чжичжань, «Проектирование специального драйверного ИС для полумостовых/мостовых схем», Motor Technology E-learning Network, выпуск 184, июнь 2006 г.

3. «Силовая электроника: преобразователи, применение и проектирование», Mohan, Undeland и Robbins, Wiley, 1989

4. «Силовые полупроводниковые приборы для частотно-регулируемого привода», B. Jayant Baliga, 1994

5. T. Fukami, H. Senda, T. Onishi, T. Kushida, T. Shoji, M. Ishiko, «Предложение технологии отбраковки отказов по области безопасной работы при обратном смещении методом коммутации индуктивной нагрузки без ограничения тока», Proceedings of IEEE, стр. 2053–2059, 2005. 6. Fairchild application note 9016, K. S. Oh, февраль 2001 г.

7. «Силовой модуль для управления бытовой техникой», журнал IEEE Application Magazine, стр. 26–34, июль 2002 г.

8. Qiankun Technology, «Технический семинар по интеллектуальному модулю питания для привода высокомощных двигателей», март 2005 г.

9. Daizhizhan, «Новый импульсный усилитель мощности для высокоэффективной магнитолевитационной системы», магистерская диссертация, Институт электротехники Университета Цинхуа, июнь 1995 г.