Для таких специфических применений, как солнечные энергетические установки, требуется максимальная отдача энергии. Силовые ключи конвертора должны обладать очень низким тепловым сопротивлением, обеспечивающим минимальный нагрев чипов, высокую плотность тока и максимальную эффективность использования солнечного кремния. Этому требованию удовлетворяют миниатюрные модули IGBT прижимной конструкции MiniSKiiP [1] (см. рис. 1), широко используемые для производства преобразователей мощностью до 30 кВт. КПД инвертора для солнечной станции на базе MiniSKiiP, испытания которой были проведены немецкой компанией Stiftung Warentest, достиг рекордного для данного класса изделий показателя 95,6%.

Очевидно, что область применения компонентов серии MiniSKiiP не ограничивается солнечной энергетикой - это лишь один из наглядных примеров, подтверждающих чрезвычайно высокую востребованность компонентов данного типа. Малогабаритные силовые модули MiniSKiiP широко используются в самых различных отраслях промышленности: общепромышленных приводах, вторичных источниках питания, сварочной аппаратуре и т.д. Основными потребителями этих компонентов являются такие всемирно известные компании, как Danaher (робототехника), Miller Electric (сварочное оборудование), Schneider Toshiba Group (привода), SEW Eurodrive (привода), Siemens A&D (привода), Vacon (привода), Silectron (UPS).

Уникальной особенностью конструкции силовых ключей серии MiniSKiiP является использование пружинных выводов для подключения всех цепей: сигнальных, силовых и сенсорных. Диапазон коммутируемых ими токов достаточно широк: от единиц микроампер в сигнальных соединениях до десятков ампер в силовых цепях. В последнем случае для уменьшения нагрева терминалов используется их параллельное соединение.

Прижимной способ подключения цепей управления реализован также в ключах SEMIKRON новейших поколений семейства SEMiX и интеллектуальных силовых модулях SKiiP. Кроме удобства монтажа пружинные контакты обеспечивают высокую стойкость к механическим воздействиям и отсутствие усталостных процессов, свойственных паяным соединениям (см. рис. 3а).

На сегодняшний день более 300 млн. пружин различного типа, успешно работающих в силовых модулях SEMIKRON по всему миру, подтвердили надежность и целесообразность такого способа соединения. Необходимо отметить, что все материалы, используемые для их изготовления, удовлетворяют требованиям современных экологических директив.

Высокий КПД и хорошие экологические показатели являются необходимыми, но не единственными требованиями, предъявляемыми к преобразовательному устройству. В условиях современного производства крайне важным свойством электронного элемента является пригодность его конструкции к автоматизированной сборке. При использовании модулей MiniSKiiP их соединение с платой управления и теплоотводом производится в один этап, а сборка идет только в одном направлении.

Простейшая двусторонняя плата управления имеет минимальное количество переходных отверстий (см. рис. 2), кроме того, при прижимном монтаже не требуется точного позиционирования контактов в местах их соединения с печатной платой, что также упрощает и удешевляет сборку. Наличие большого количества резервных посадочных мест для установки пружинных выводов в корпусе модуля обеспечивает высокую гибкость конструкции и возможность оптимального размещения терминалов для каждого типа и конфигурации силового ключа.

Для подтверждения стабильности контактных свойств прижимных соединений и их высокой стойкости к воздействию внешних факторов пружинные контакты подвергаются ряду специальных проверок. Они включают трибометрические тесты (проверка контактного сопротивления на вибростойкость), испытания на воздействие агрессивных сред, а также термоциклирование. При проведении данных тестов используется схема, показанная на рисунке 3б. В процессе испытаний производится измерение падения напряжения на последовательном соединении нескольких контактов при протекании стабилизированного тока. За все время проведения подобных проверок не было выявлено превышения номинального значения сопротивления контактов DR более 100 мОм при допуске 400 мОм.

Исключение технологических этапов, связанных с пайкой, позволяет сократить время производства и снизить его стоимость. Основные сравнительные характеристики различных типов соединений приведены в таблице 1.

Прижимная конструкция сборки позволяет резко снизить уровень термомеханических напряжений, возникающих при работе инвертора, что способствует увеличению срока службы изделия.

Крепление MiniSKiiP к радиатору производится с помощью одного или двух винтов, стягивающих крышку, корпус модуля и теплоотвод, как показано на рисунке 2.

Рис. 2. Прижимная сборка модуля MiniSKiiP 3

При этом крепежные винты располагаются внутри втулок, которые осуществляют давление на керамическую плату и обеспечивают таким образом равномерную передачу тепла. Существует 2 типа прижимных крышек, выбор зависит от конкретного применения силового ключа: установка плоских элементов прижима позволяет уменьшить высоту сборки, крышки с пустотами дают возможность разместить непосредственно над силовым каскадом smd-компоненты схемы управления (см. рис. 4).

Прижимной способ подключения MiniSKiiP дает возможность более рационально использовать площадь печатной платы, поскольку переходные отверстия занимают гораздо меньше места, чем отверстия, необходимые для монтажа выводов. Возможность размещения элементов драйвера в непосредственной близости от силовых чипов способствует упрощению топологии соединений и уменьшению паразитных индуктивностей цепей управления.

Благодаря успеху прижимных технологий многие компании, работающие на рынке силовой электроники, пытаются внедрить данный тип соединений в производимые ими модули различного класса мощности. Примером может случить конструктив с прессовой посадкой «press-fit», используемый, в основном, при производстве диодов. Подключение полупроводникового компонента к контактному отверстию в печатной плате при этом осуществляется с помощью прижима. Следует отметить, что в данном случае необходимы пайка или ультразвуковая сварка для соединения выводов чипов с керамической DCB-платой. Пружинные терминалы модулей MiniSKiiP позволяют осуществлять подключение силовых и сигнальных цепей модуля только за счет прижима.

Для дальнейшего упрощения процесса сборки SEMIKRON предлагает в качестве опции новую услугу: поставку модулей MiniSKiiP с предварительно нанесенным слоем теплопроводящей пасты (см. рис. 5).

Это позволяет упростить процесс монтажа за счет исключения важного и ответственного технологического этапа, улучшить тепловые характеристики конструкции и обеспечить высокую повторяемость производственного процесса.

Новая опция обеспечивает следующие преимущества:

• быстрая и простая операция установки модулей на теплоотвод, возможность автоматизации производства;
• оптимальная толщина слоя пасты, снижение риска повреждения керамического основания MiniSKiiP;
• равномерное распределение пасты в зазоре, минимальное тепловое сопротивление;
• хорошая временная стабильность тепловых характеристик.

Теплопроводящая паста наносится на поверхность модулей с помощью специального металлического трафарета с ячеистой структурой, обеспечивающей высокую однородность толщины слоя. Равномерное распределение пасты при затяжке крепежных винтов достигается благодаря сотовой структуре покрытия, показанной на рисунке. Компоненты подвергаются ряду специальных тестов, позволяющих оценить стабильность покрытия при транспортировании и хранении.

Рис. 6. Воздействие термоциклирования на паяные и прижимные соединения

В модулях семейства MiniSKiiP с рабочим напряжением 600 В используются кристаллы IGBT Trench третьего поколения (Infineon) и диоды серии CAL, разработанные SEMIKRON. В ключах, рассчитанных на 1200 В, устанавливаются новейшие чипы Trench IGBT4 в комбинации с диодами CAL 4. Главным отличием элементов четвертого поколения является расширенный температурный диапазон (максимальная рабочая температура чипов составляет 175°C) и пониженный уровень потерь. Технология Т4 позволила раздвинуть рамки безопасных режимов эксплуатации - для кристаллов этой генерации предельный импульсный ток равен утроенному номинальному значению (все выпускаемые в настоящее время IGBT имеют пиковый ток I_crm = 2 х I_nom). Использование силовых модулей серии Т4 позволяет снизить уровень потерь примерно на 20%, повысить эффективность преобразования, запас по перегрузке и надежность инвертора без переделки конструкции и перехода на более мощные ключи.

Модули MiniSKiiP выпускаются в основных приводных конфигурациях: CIB (выпрямитель, инвертор и тормозной каскад), 3-фазный инвертор и выпрямитель (неуправляемый и полууправляемый) с тормозным каскадом. Основные характеристики и состав элементов серии приведены в таблице 2.

Тип модуля	VCE, B	IC, A	Схема
Выпрямительный мост + 3-фазный инвертор IGBT + Тормозной транзистор
MiniSKiiP II-0	600	10...20
MiniSKiiP II-1	600 + 1200	10...30
MiniSKiiP II-2	600 + 1200	30...50
MiniSKiiP II-3	600 + 1200	50...100
3-фазный инвертор IGBT
MiniSKiiP II-0	600	10...30
MiniSKiiP II-1	600 + 1200	10...40
MiniSKiiP II-2	600 + 1200	40...100
MiniSKiiP II-3	600 + 1200	100...175
Тиристорный мост + Тормозной транзистор
MiniSKiiP II-2	600 + 1200	150
MiniSKiiP II-3	600 + 1200	175

Для инверторов, предназначенных к применению в солнечных энергетических станциях, выпускаются модули IGBT с мостовой (однофазной) схемой и рабочим напряжением 600 В и 1200 В.

Пружинные контакты MiniSKiiP рассчитаны на токовую нагрузку до 20 А, при этом их перегрев не превышает 20°С. В сильноточных цепях используется параллельное соединение выводов, их количество может достигать восьми для одного силового терминала. Конструктивно терминалы модулей SEMIKRON принципиально отличаются от контактов традиционной конструкции, осуществляющих «сжимающее» контактное усилие. Различие это заключается, прежде всего, в направлении распределении прижимающего и контактного усилия. Прижимные терминалы создают усилие, направленное вдоль оси контакта, они предназначены специально для соединения силового модуля с печатной платой и не рассчитаны на многократное сочленение. Пружинные контакты MiniSKiiP выполнены из сплава К88 (производства Wieland Werke и Olin Brass) с серебряным покрытием толщиной 3...5 мкм. Для защиты контактов от внешних воздействий используется пассивирующий слой толщиной 0,1 мкм, представляющий собой сплав меди (50...55%), олова (30...35%) и цинка (13...17%).

Материал пружин имеет очень высокий предел текучести (550 МПа), он обладает хорошей способностью к формованию и стойкостью к изгибам и при этом сохраняет все свои механические и контактные свойства в широком диапазоне температур вплоть до 200°С. SEMIKRON гарантирует отсутствие усталостных эффектов в материале контакта в течение всего срока службы.

Металлическая пассивация обеспечивает высокую долговременную стабильность контактных свойств и предохраняет поверхность контакта от окисления, нарастания нитевидных кристаллов и электромиграции. Напомним, что электромиграция (диффузионный перенос массы проводника под действием электрического тока высокой плотности) является одной из основных причин разрушения металлических токопроводящих пленок. Для исследования влияния процесса электромиграции на контактные свойства SEMIKRON проводит испытания контактов MiniSKiiP на воздействие коррозионно-активной атмосферы с высоким содержанием сероводорода H₂S. В ходе тестов, проводимых в течение 240 ч в условиях 75% влажности при содержании сероводорода 100 ppm, не было выявлено ни одного отклонения характеристик выводов от допустимых пределов.

Для проверки устойчивости пружинных выводов к термоциклированию были разработаны специальные тестовые модули, в которых пружинные контакты дублируются традиционными паяными: только так можно обеспечить полную идентичность условий испытаний. Результаты показаны на циклограмме, приведенной на рисунке 6: после 1000 циклов с градиентом 160°С произошло разрушение паяного контакта. Прижимные соединения сохраняли свои свойства в течение более 2000 циклов, после чего тесты были прекращены.

Конструктив MiniSKiiP имеет большое количество резервных посадочных мест для установки кристаллов и пружин, что позволяет выбирать место их размещения, обеспечивающее минимальную индуктивность силовых соединений модуля и цепей управления, а также простоту трассировки платы управления. Указанная особенность способствует снижению потерь и улучшению электромагнитной совместимости. С недавнего времени в некоторых версиях MiniSKiiP в качестве опции вместо CAL диодов устанавливаются антипараллельные диоды из карбида кремния (SiC). Все перечисленные особенности модулей MiniSKiiP позволяют создавать на их основе малогабаритные инверторы, отличающиеся высокой эффективностью преобразования и надежностью.

По данным исследований рынка силовых полупроводниковых компонентов «The worldwide market for Power Semiconductors, 2002», проводимых британским исследовательским институтом IMS (British Market Research Institute), в области производства миниатюрных модулей конфигурации CIB (Converter, Inverter, Brake - выпрямительный мост, инвертор, тормозной каскад) доля рынка SEMIKRON составляет 30% в мире и более 46% - в Европе.

Основным применением MiniSKiiP являются схемы приводов мощностью до 30 кВт, именно поэтому они выпускаются в основных приводных конфигурациях: CIB и АС (3-фазный инвертор). Высокой популярности данных компонентов способствует применение пружинных сигнальных выводов, позволяющих исключить паяные соединения, упростить монтаж модулей и их замену в случае необходимости. Специальные испытания данного типа соединения показывают его высокую устойчивость к микровибрациям и фреттингу, а также хорошую долговременную стабильность контактных свойств в условиях достаточно мощных применений.

При эксплуатации модулей в условиях повышенной температуры окружающей среды особый интерес представляют вопросы обеспечения надежности и долговременной стабильности параметров. Высокие показатели надежности при использовании модулей MiniSKiiP достигаются, прежде всего, за счет использования пружинных контактов и отсутствия базовой платы.

1. А. Колпаков. MiniSKiiP - миниатюрные модули для привода, «Электронные Компоненты» ╧7, 2004г, «Силовая Электроника» ╧4, 2005 г.

2. Daniel Seng. «Spring contacts - reliable alternative to critical solder contacts». Bodors Power Systems, August 2007

3. А. Колпаков. Надежность пружинных контактов в условиях индустриальных сред, «Силовая Электроника» ╧4, 2006 г.