Компания Fraunhofer IZM демонстрирует инверторный модуль на базе SiC мощностью 500 кВт/л с использованием микросхемы AMB, обеспечивающей высокую плотность мощности.
Силовые модули требуют оптимизации эффективности преобразования энергии, регулирования температуры, электромагнитных помех, механической и электрической надежности, а также плотности мощности. Часто это требует компромиссов при проектировании. В данной статье мы рассмотрим инверторный модуль мощностью 500 киловатт на литр (кВт/л) на основе МОП-транзисторов на основе карбида кремния (SiC), использующий технологию встраивания микросхем с активной металлической пайкой (AMB) и конструкцию, оптимизированную по плотности мощности, электромагнитным помехам и тепловым характеристикам.
Упаковка силовых устройств, встраиваемых в печатную плату
Встраивание в печатную плату силовых полупроводниковых кристаллов – не новая концепция. Она широко используется в низковольтных силовых модулях, таких как MicroSIP от AT&S, используется в качестве преобразователя постоянного тока в мобильных телефонах, а также в качестве преобразователя напряжения в серверных устройствах. Полупроводники с широкой запрещенной зоной, такие как SiC, создают множество преимуществ, особенно в системах преобразования средней и высокой мощности.
Более низкие потери мощности и улучшенные тепловые характеристики по сравнению с устаревшими устройствами Si позволяют создавать компактные и более эффективные системные решения. Хотя использование более высоких частот переключения и более быстрой скорости нарастания частоты позволяет повысить удельную мощность и снизить потери при переключении, компромиссом здесь может быть снижение электромагнитных помех и надежности. Паразитные индуктивности, например, создаваемые соединениями проводов, могут приводить к скачкам напряжения и колебаниям и создавать ограничения на максимальную скорость переключения.
При встраивании в печатную плату используются распределительные слои и переходные отверстия для доступа к выводам полевого транзистора, что позволяет получить компактное решение с низкой индуктивностью. На уровне матрицы требуется металлизация поверхности медью (Cu) вместо традиционного алюминия (Al). Было продемонстрировано множество различных примеров встраиваемых печатных плат с полупроводниками с широкой запрещенной зоной. Команда из Mitsubishi Electric продемонстрировала трехмерную вертикальную конструкцию, состоящую из 4-слойного ламинированного материала из Cu, который включает полумост на основе SiC-МОП-транзистора и встроенный плоский выходной индуктор.
Совместная команда из Центра систем силовой электроники Политехнического института Вирджинии, США, Государственного университета и AT&S, Австрия, использовала технологию печатных плат AT&S на основе встроенных компонентов для создания понижающих, усиливающих преобразователей. используются полупроводниковые МОП-транзисторы напряжением 1200 В. Компания Infineon Technologies в сотрудничестве со Schweizer Electronic AG продемонстрировала устройства CoolSiC напряжением 1200 В во встроенном корпусе S-Cell.
Институт надежности и микроинтеграции Фраунгофера в Германии является пионером в области встраивания печатных плат. Недавно они продемонстрировали 3-фазный инверторный модуль мощностью 500 кВт/л, основанный на встраивании печатных плат. Ниже мы приводим некоторые данные о дизайне и производительности этого модуля.
Инверторный модуль мощностью 500 кВт
На рис. 1 показан увеличенный вид инверторного модуля 3-ph.
Проект инвертора был разработан в сотрудничестве с Mitsubishi Heavy Industries (MHI). Полупроводниковые МОП-транзисторы напряжением 1200 В были изготовлены компанией Sanrex, партнером/поставщиком MHI. Топология была основана на стандартном двухуровневом полумосте. Для удовлетворения требований к питанию на каждое положение переключателя приходилось по 6 кристаллов, подключенных параллельно. Каждый полумост с 12 матрицами выполнен в виде встроенного силового модуля с эффективным сопротивлением включению при комнатной температуре (RDS(on)), равным 1,8 Мом/переключатель (т.е. каждый ~11 Мом/матрица).
Монтирование матрицы AMB
Вид монтируемого узла в поперечном сечении показан на рис. 2. В качестве подложки для матрицы из SiC используется нитрид кремния, напаянный активным металлом (AMB) (Si3N4). AMB обладает превосходной теплопроводностью по сравнению с оксидом алюминия (Al2O3) и в то же время большей прочностью на изгиб, чем нитрид алюминия (AlN). Улучшенный коэффициент теплового расширения у AMB, соответствующий SiC, также приводит к снижению термомеханических нагрузок во время термоциклирования.
AMB, используемый в этом инверторе, имеет верхний слой меди толщиной 500 мкм для улучшения рассеивания тепла. Ключевым преимуществом этого метода встраивания по сравнению с другими, такими как S-cell, является то, что керамика Si3N4 обеспечивает превосходную электрическую изоляцию по сравнению с эпоксидным препрегом, используемым при ламинировании печатных плат, и в то же время обеспечивает лучшую теплопроводность.
Таким образом, этот метод устраняет необходимость в компромиссе между электрической изоляцией и теплопроводностью, который может привести к снижению толщины эпоксидной смолы. Верхние слои Cu RDL и переходные отверстия обеспечивают подключение к клеммам устройства. В то время как асимметричный набор слоев со встроенным AMB может создавать большее термомеханическое напряжение, для уменьшения этого напряжения, вызванного асимметрией, было нанесено дополнительное покрытие Cu на нижний слой AMB.
Спекание серебра использовалось для крепления SiC-устройств на уровне панели, т.е. одновременно по 12 AMB на модуль.
Конструкция с низкой индуктивностью
Для гашения колебаний при переключении был использован RC-демпфер постоянного тока, как показано на рис. 3. Он создает два индуктивных контура.
Вторичный контур идет от конденсатора постоянного тока (Cdc), Rsn и Csn, содержащих настраиваемый демпфирующий элемент, и к шинам +DC и -DC-DC. Суммарная индуктивность этого контура составляет 5 нН, из которых 3 нН приходится на межсоединения и 2 нН – на эффективную мощность конденсатора.
Поскольку шины подключены вертикально, их индуктивность значительно ниже. Контакты на шинах были выполнены таким образом, что их можно было приваривать лазером непосредственно к печатной плате, что исключало необходимость в винтах, которые увеличивали бы индуктивность.
Первичный контур индуктивности состоит из полумостовых SiC-МОП-транзисторов, демпфера и соединения с направляющими. Набор слоев печатной платы определяет длину индуктивности межсоединений. Широкая прокладка Cu также помогает ограничить это. Эффективная индуктивность в этом контуре составляет всего порядка 1 нН. Два уровня подключения позволяют расположить контур затвор-исток перпендикулярно контуру питания, что сводит к минимуму индуктивность общего источника.
Охлаждение
Высокая удельная мощность была ключевым фактором в общей конструкции. Поэтому под модулями используется экструдированный алюминиевый охладитель, обеспечивающий охлаждение с обратной стороны. Такой подход также является очень экономичным. Он содержит более сорока тонких гофрированных каналов для подачи охлаждающей жидкости. Конструкция соответствует требованиям к ширине канала в 1 мм, предъявляемым к силовым модулям высокой плотности.
Компромиссом с таким подходом к охлаждению является прямой канал, который не обеспечивает бокового микширования, что является компромиссом в пользу большей плотности мощности, достигаемой благодаря небольшому форм-фактору. Охлаждение демпфирующего резистора осуществляется внутри встроенной печатной платы с использованием тепловых переходов.
Конденсаторы постоянного тока
Для подключения к сети постоянного тока были использованы конденсаторы NanoLam от Polycharge. Их преимуществом является очень высокая удельная мощность. Используемая полезная емкость в 300 мкФ была достигнута при добавленной эквивалентной последовательной индуктивности (ESL) всего в 2 нН. Одним из недостатков этих конденсаторов является более высокое ESR, что приводит к тепловым потерям. Кроме того, эти потери анизотропны и увеличиваются в направлении z.
Конденсаторы NanoLam, используемые в инверторе, были специально сконфигурированы с медными контактами сверху и снизу, которые приварены к медным блокам для вертикальной передачи тепла. Конденсаторный блок установлен под алюминиевым охладителем, который поддерживает их температуру ниже 130 °C при максимальных условиях эксплуатации.
Результаты
В этом инверторе с частотой переключения 10 кГц преобладают потери на проводимость. Оценка потерь для каждого кристалла составила 86 Вт при температуре 150 °C – при напряжении «затвор-исток включен» (Vgs-on) 20 В – при полной нагрузке (500 ARMS /фаза, напряжение 800 В постоянного тока). Измерения с использованием перспективных инфракрасных приборов (FLIR) показывают, что температура демпфирующего резистора достигает 103°C, а переключателя нижнего уровня – 88°C (ΔT = 23°C при температуре охлаждающей жидкости 65°C).
Тепловое сопротивление, по оценкам, составляет 0,72 К/Вт на матрицу (т.е. 0,12 К/Вт для 6 параллельно подключенных матриц для каждого полумостового переключателя). В ходе этих испытаний была достигнута скорость нарастания напряжения 65 В/нс. Хотя это превышает общепринятые пределы, составляющие около 40 В/нс, используемые в электроприводах в зависимости от мощности обмотки, это показывает, что инвертор не является ограничивающим фактором.
Колебания на коммутационных переходах были хорошо контролируемыми и длились всего несколько десятков нс, при этом пиковое превышение составляло 1024 В, наблюдаемое на шине постоянного тока напряжением 800 В, даже при нулевом значении добавленных внешних затворных резисторов на переключателях МОП-транзисторов. Максимальный КПД >99% был достигнут при полной нагрузке в 500 ВТ и 800 В постоянного тока на прототипе инвертора с использованием реактивных нагрузок.
