Многоканальный силовой полупроводниковый модуль

Введение

Коммутация силовых и сигнальных электрических цепей является одной из наиболее распространённых функций управления газотурбинными двигателями. К особенностям элементов коммутации относятся эксплуатация в условиях жёстких воздействий окружающей среды, широкий диапазон напряжений и высокие требования к надёжности.

К устойчивости авиационного оборудования под воздействием сильных электромагнитных полей и переходных процессов, вызванных молниями, предъявляются всё более жёсткие требования, которые призваны обеспечить безопасность полётов в условиях излучения РЛС и грозовых разрядов (квалификационные требования КТ-160D,F и соответствующие зарубежные требования DO-160D,F).

Учёт этих требований должен способствовать поддержанию работоспособности устройств коммутации в следующих условиях:

• среднее значение напряжённости электрической составляющей электромагнитного излучения до 300 В/м, импульсное значение до 3000 В/м;
• пиковое значение тока в выходных цепях устройств коммутации до 40 А при длительности импульса до 1 мс.

Ужесточение требований происходит с одновременным уменьшением массогабаритных характеристик электронной аппаратуры. В ходе разработки электронного регулятора для перспективного авиационного двигателя ПД-14 была поставлена задача создания модуля М16-5-1, при решении которой были достигнуты устойчивость к указанным выше воздействиям и уменьшение габаритных размеров. Это удалось сделать за счёт применения специально разработанных и не имеющих аналогов элементов в бескорпусном исполнении, в том числе мощного ограничителя напряжения и n-канального полевого транзистора с низким пороговым напряжением.

Основные технические характеристики модуля:

• четыре канала управления;
• широкий диапазон коммутируемых напряжений 10…80 В;
• диапазон коммутируемых токов 0…3,5 А;
• управление от логических элементов КМОП с напряжением питания 3,3…5,0 В;
• защита выходных электрических цепей модуля от внешних импульсных воздействий (экспоненциальный импульс тока с пиковым значением до 40 А и длительностью до 1 мс на уровне 0,5);
• рабочая температура –60…85°С;
• ускорение до 20g в диапазоне частот синусоидальной вибрации до 2000 Гц;
• тепловое сопротивление между элементами и основанием 2°С/Вт;
• тепловое сопротивление корпус – окружающая среда (без теплоотвода) при температуре окружающего воздуха +85°С – 14°С/Вт.

Элементы, структура и конструкция модуля

При разработке модуля были решены вопросы обеспечения надёжности в условиях указанных выше воздействий с помощью полупроводниковых ограничителей напряжения. Непосредственное управление работой модуля сигналами логических элементов с напряжением питания 3,3…5 В осуществляется n-канальными полевыми транзисторами с низким пороговым напряжением. Высокочастотное импульсное управление нагрузкой обеспечивают низкие входные ёмкости n-канального и p-канального транзисторов.

Ограничитель напряжения и n-канальный транзистор специально разработаны для модуля М16-5-1 и по совокупности функциональных и габаритных характеристик не имеют аналогов. Применение элементов в бескорпусном исполнении позволило уменьшить габаритные размеры модуля.

Подробные технические характеристики модуля приведены в технических условиях главного конструктора ВЛЕИ.435714.002ТУ ГК. Принципиальная электрическая схема модуля представлена на рисунке 1.

Модуль содержит только полупроводниковые элементы, выполняющие функции коммутации, управления и защиты. Вспомогательные элементы являются внешними по отношению к модулю. Такой подход позволяет оптимальным образом задать режим работы элементов модуля в зависимости от диапазона коммутируемых напряжений и требуемую скорость переключения при импульсном формировании напряжения на нагрузке.

Основными элементами схемы являются р-канальные полевые транзисторы, соединённые с выходами через диоды, предотвращающие протекание тока от выхода к входу при соединении выходов нескольких модулей по схеме «монтажное «ИЛИ». Выходы модуля защищены ограничителями напряжения, одновременно выполняющими функцию обратных диодов при управлении индуктивными нагрузками. Затворы р-канальных транзисторов защищены стабилитроном.

Схема включения одного из каналов модуля представлена на рисунке 2. 

Напряжение на затворе р-канального транзистора, необходимое для включения модуля, формируется делителем напряжения, подключённым к стоку n-канального транзистора.

При разработке модуля основное внимание было уделено гибкости структуры модуля, получению заданных электрических характеристик компонентов и технологической подготовке производства, включая автоматическую сборку и проверку модуля. Конструктивное исполнение модуля обеспечило низкое сопротивление соединений элементов модуля и высокую теплопроводность между элементами и основанием корпуса.

Модуль выполнен по гибридной технологии, его элементы размещены в металлокерамическом корпусе, имеющем медное теплоотводящее основание. На основании установлены изолирующие теплоотводящие керамические подложки с двухсторонней металлизацией (нижняя сторона сплошная, верхняя – с рисунком для соединения элементов). На площадках верхней металлизации установлены кристаллы элементов, верхние выводы которых соединены с другими площадками ультразвуковой сваркой. Внешний вид модуля показан на рисунке 3, габаритные размеры (без учёта выводов) составляют 54ґ33,4 мм.

Области применения модулей

Использование модуля для коммутации напряжений повышает уровень интеграции и исключает необходимость введения в схему крупногабаритных элементов защиты от внешних электрических воздействий.

Модули входят в состав электронной системы управления двигателем ПД-14 для создаваемого в настоящее время среднемагистрального самолёта МС-21 и планируются для использования в перспективных разработках ОАО «СТАР».

Модули могут быть использованы в устройствах с аналогичными требованиями по диапазону коммутируемых напряжений и токов и параметрам окружающей среды (авиастроение, автомобилестроение, космическая техника).