Двойные тиристорные модули IXYS

Тиристоры – это четырёхслойные (p–np–n) кремниевые полупроводниковые приборы с внутренней положительной обратной связью (эффект «защёлкивания», или триггерный эффект), имеющие два устойчивых состояния. В зависимости от характера вольт-амперной характеристики и способа управления, тиристоры разделяют на следующие типы:

• диодные (динисторы);
• триодные тиристоры (SCR – Silicon Control Rectifier);
• запираемые тиристоры (GTO – Gate Turn Off);
• оптронные тиристоры (оптотиристоры);
• симметричные тиристоры (симисторы или триаки);
• оптронные симисторы.

Триодные тиристоры (или просто тиристоры) в зависимости от расположения управляющего электрода (УЭ/Gate – G) делятся на тиристоры с катодным управлением и тиристоры

с анодным управлением. В силовых тиристорах в основном используется катодное управление, при котором управляющее напряжение приложено между УЭ и катодом.

Эти приборы имеют ряд существенных особенностей. Управление осуществляется только процессом включения приборов, т.е. после включения УЭ теряет свои свойства в части запирания (за исключением запираемых тиристоров). Для выключения тиристора необходимо, чтобы неосновные носители, накопленные в базовых областях анода (А) и катода (К), рекомбинировали. В противном случае эти носители могут привести к появлению базового тока и повторному включению тиристора. При выключении существует условие ограничения скорости нарастания приложенного обратного напряжения, поскольку быстрое увеличение запирающего напряжения может привести к появлению достаточно большого для переключения тиристора тока смещения, пропорционального ёмкости его p–n-переходов. Практически выключить тиристор можно только понизив ток в силовой цепи (А-К) до значения, меньшего тока удержания (holding current), или сделав напряжение на аноде обратным. При этом скорости изменения напряжения (dv/dt)cr и тока (di/dt)cr в силовой цепи не должны превышать допустимых (критических) значений этих параметров с учётом максимальной рабочей температуры приборов.

К достоинствам тиристоров, кроме простоты включения, можно отнести низкие потери проводимости, высокую перегрузочную способность и надёжность. Они могут соединяться как параллельно, так и последовательно.

Основные электрические параметры тиристоров для силовой цепи:

• максимально допустимое обратное повторяющееся напряжение или прямое напряжение в закрытом состоянии;
• максимально допустимый средний выпрямленный (среднеквадратичный) ток;
• максимально допустимый импульсный ток – для повторяющихся или единичных импульсов (за время, мс);
• максимальный ток удержания во включенном состоянии;
• прямое падение напряжения на включенном тиристоре;
• максимально допустимая (критическая) скорость нарастания тока во включенном состоянии;
• максимально допустимая (критическая) скорость нарастания напряжения в закрытом состоянии.

Основные электрические параметры тиристоров для цепи управления:

• максимальное напряжение управления;
• максимальный ток управления;
• параметры быстродействия;
• время задержки сигнала по управляющему электроду;
• время выключения.

Тиристоры являются приборами, критичными к скоростям нарастания прямого тока (di/dt) и прямого напряжения (dv/dt), поэтому для ограничения скорости нарастания тока и напряжения рекомендуется применение специальных защитных цепей. При этом индуктивный реактор (дроссель) для ограничения di/dt при включении тиристора должен устанавливаться последовательно с прибором (в большинстве случаев внутреннее индуктивное сопротивление источников напряжения, входящих в цепь включенного тиристора, оказывается достаточным, чтобы не вводить дополнительную индуктивность LS). Цепи типа RC – демпфер или чаще RCD – снаббер, используемые для ограничения dv/dt, подключаются параллельно защищаемому прибору (выводы

A-К). Кроме того, параллельно этим выводам иногда включается быстродействующий блокирующий диод, а также может устанавливаться варистор для ограничения возможных импульсных высокочастотных перенапряжений. В настоящее время, вследствие конкуренции тиристорных модулей с силовыми MOSFET и IGBT, нижняя граница области промышленного применения тиристоров сместилась к диапазону мощностей в десятки киловатт. Прежде всего, это сверхмощные источники питания, регуляторы напряжения, электроприводы постоянного тока, сварочное оборудование, нагревательные установки и др. Вместе с тем в изделиях бытового назначения (регуляторы переменного напряжения и т.д.) тиристоры продолжают успешно применяться благодаря их невысокой стоимости и высокой надёжности. Тиристоры производства IXYS доступны в различных исполнениях и корпусах. В этой статье мы рассмотрим двойные тиристорные модули.

Двойные тиристорные модули IXYS можно условно разделить на три группы по максимально допустимому среднему выпрямительному току:

• I_TAV = 18…116 A (а также новый модуль MCMA140P1600TA ITAV = 140 А), представлены в корпусах TO-240 в двух вариантах распиновки (рис. 1);
• I_TAV = 130…320 A, доступны в четырёх вариантах исполнения корпусов (рис. 2);
• I_TAV = 327…700 A, доступны в двух вариантах корпусов и трёх вариантах распиновки (рис. 3).

Тиристорные модули изготавливаются по технологии DCB (direct copper bonding) – прямое соединение керамической подложки с медью при высоких температурах.

Для изготовления подложки DCB (рис. 4) на медную поверхность толщиной около 0,3 мм сверху и снизу эвтектически наплавляют оксид алюминия Al₂O₃ или нитрид алюминия AlN при температуре свыше 1000°С (толщиной 0,25…1,0 мм). После необходимой разводки схема модуля вытравливается на верхней части медной поверхности, кристаллы припаиваются и контакты кристалла подключаются перемычками. Нижняя часть DCB керамической подложки припаивается прямо к основной пластине модуля.

Преимущества DCB-технологии следующие: высокая проводимость тока благодаря слою меди, хорошие условия охлаждения благодаря керамическому материалу, высокая адгезионная сила меди к керамике и оптимальная теплопроводность керамического материала.

Рассмотрим более детально основные характеристики модуля, пользующегося наибольшей популярностью – MCC95-08io1 (рис. 5, таблица).

Особенности:

• международный стандарт корпуса, JEDEC TO-240 AA;
• подложка из DCB-керамики с Al₂O₃-изоляцией, хорошей температурной проводимостью и высоким изоляционным напряжением;
• пассивированный кристалл, изготовленный по планарной технологии;
• напряжение изоляции ~3600 В;
• UL-регистрация, E 95873;
• катодное управление.

Применение:

• управление электродвигателем постоянного тока;
• плавный пуск электродвигателя переменного тока;
• контроль освещения, нагрева и температуры.

Преимущества:

• размеры и небольшой вес;
• простой монтаж с помощью двух винтов;
• расширенный температурный диапазон и маневренный режим мощности;
• уменьшение схем защиты.

Литература

1. Ланцов В., Эраносян С. Электронная компонентная база силовых устройств. Часть 2. Силовая электроника. 2010. № 1.
2. www.ixys.com.
3. Emerald P. Greenland P. Power Multi-Chip Modules. PCIM Europe. Sep./Oct. 1995. P. 242–246.