В выставочном комплексе «Крокус-Экспо» с 27 по 29 октября 2015 г. прошла 12-я международная выставка «Силовая Электроника» (Power Electronics), посвященная мощным электронным компонентам и системам.
Несмотря ни на какие проблемы в экономике, эта продукция сейчас очень востребована и пользуется спросом, может быть, даже больше, чем несколько лет тому назад. Силовая электроника нужна для создания современных конкурентоспособных производств, общественного транспорта на электрической тяге, высокоэффективной энергетики и т. п. Вряд ли стоит напоминать, что все перечисленные направления являются жизненно важными для нынешнего этапа развития нашей страны. Отличительной особенностью данной выставки является тотальное господство технологии IGBT (от английского Insulated-gate bipolar transistor — биполярный транзистор с изолированным затвором). Речь идет о приборах, сочетающих в себе лучшие качества биполярного и полевого транзисторов. IGBT-транзисторы были изобретены еще в 70-х годах XX века, но наладить серийное производство таких транзисторов, пригодных для практических применений, удалось только в 90-х годах.
Сейчас ценовая доступность открыла IGBT новые возможности для широкого применения. На основе IGBT компонентов строятся инверторы, коммутаторы, регуляторы мощности. При этом использование IGBT позволяет заменить громоздкие реле, трансформаторы и некоторые другие компоненты. Что же касается конкурирующих технологий, например, SiC (транзисторы на карбиде кремния), то они еще недостаточно развиты и используются только для отдельных, специализированных применений. Естественно, к нынешнему триумфу технология IGBT прошла длинный путь, сменилось несколько поколений IGBT кристаллов. При этом каким номером обозначать наиболее актуальное поколение — вопрос дискуссионный, что еще раз показала выставка. Mitsubishi Electric относят свою новейшую продукцию к 7-му поколению IGBT.
Отличительной особенностью данного поколение является уменьшенная толщина кристалла, что в совокупности с усовершенствованной структурой, дает значительное снижение потерь, особенно при использовании IGBT модулей для построения инверторов. В то же время, Semikron и некоторые другие производители, а также ученые в области электроники предпочитают вести иной отсчет поколений, в результате чего IGBT чипы с указанными особенностями относят к 4-му поколению.
По классификации Semikron, IGBT-модули с уменьшенной толщиной чипа относятся к 4-му поколению
Mitsubishi Electric представила на выставке серию модулей в корпусах DIPIPM+ и SlimDIP. Эти модули совмещают в себе функции трехфазного выпрямителя, прерывателя (зависит от модели) и инвертора. Использование DIP-корпуса, пригодного для монтажа непосредственно на печатную плату, а также размещение в модуле всех основных элементов преобразователя напряжения, позволяет упростить разработку и производству всевозможных электронных устройств. Причем эти модули способны работать, в зависимости от модификации с напряжениями до 1200 В, что раньше было характерно только для модулей с зажимными контактами. Помимо активного развития IGBT, компания Mitsubishi Electric уделяет внимание и конкурирующим направлениям. В первую очередь это устройства SJ-MOSFET.
Данные приборы представляют собой усовершенствованные полевые транзисторы с изолированным затвором. Низкое сопротивление открытого канала позволяет не добавлять в структуру элементы биполярного транзистора, как это делается в IGBT. При этом напряжение между истоком и стоком в режиме «включено» на 80 % ниже, чем у IGBT транзисторов, что значительно увеличивает КПД собранных на них устройств. К недостаткам SJ-MOSFET по сравнению с IGBT пока можно отнести их дороговизну, а также меньшее предельное напряжение, составляющее, как правило, не более 650 В. Тем не менее, уже сейчас SJ-MOSFET модули используются в кондиционерах высокого класса. По сравнению с кремнием, карбид кремния (SiC) обладает значительно большей механической прочностью, что позволяет делать подложку чипа в 10 раз тоньше. В свою очередь, это значительно снижает потери в состоянии «включено», а также потери при переключении.
Ширина запрещенной зоны у карбида кремния в 3 раза больше, чем у обычного кремния, поэтому ток через канал транзистора в состоянии «выключено» снижается до пренебрежительно малых величин. В итоге можно уменьшить потери на 70% по сравнению с традиционной электроникой на кремнии. Mitsubishi Electric активно развивает направление SiC применительно к мощным MOSFET-транзисторам и модулям на их основе. Пока серийно выпускаются модули на напряжение до 600 В, но уже анонсирована возможность получения разработчиками под заказ семплов модулей на напряжение до 1200 В. Пока, как и SJ-MOSFET, SiC компоненты применяются главным образом в дорогих кондиционерах. Но им прочат большое будущее по мере развития альтернативной энергетики.
Мощный IGBT-модуль от Dynex Semiconductor
Впрочем, альтернативным технологиям по напряжениям, с которыми работает коммутирующее устройство, все равно пока невозможно тягаться с IGBT. Например, британская компания Dynex Semiconuctor заявила о готовности производить IGBT-чипы, способные работать с напряжениями до 6500 В и током до 1200 В. Компания Hitachi, наладила выпуск IGBT-модулей, способных выдерживать ток 3600 А и напряжение до 1700 В.
IGBT-чипы отечественного производства
Повсеместное использование IGBT компонентов в критически важных применениях (например, на железной дороге или на высокотехнологичных производствах) ставит вопрос об организации импортозамещения. IGBT-чипы выпускаются и в России, причем по своим показателям они не хуже многих зарубежных образцов. Например, завод «Ангстрем» продемонстрировал на выставке бескорпусной IGBT-транзистор, способный выдерживать напряжение до 4500 В и пропускать через себя ток до 35 А. Чип сделан с использованием современной технологии SPT+, значительно снижающей потери в момент переключения.
Драйверы производства Power Integrations для управления мощными транзисторами
Мощные транзисторы, будь то MOSFET или IGBT имеют одну особенность — емкость затвора у них может достигать нескольких тысяч пикофарад. Для того, чтобы транзистор быстро и четко переходил из одного состояния в другой, он должен управляться специальным устройством, которое именуется драйвером. При современной тенденции к снижению размеров IGBT-модулей размеры драйверов уменьшаются медленнее. Упростить конструкцию аппаратуры и уменьшить ее размеры можно благодаря применению созданного компанией Power Integrations нового ядра Scale 2+. Оно позволяет создавать компактные драйвера, в которых уже реализована функция «мягкого отключения» при коротком замыкании, уменьшающая экстратоки. Благодаря этой функции для нагрузки с небольшой индуктивностью дополнительные компоненты, подавляющие экстратоки, не потребуются.
Плата с монтажом по технологии низкотемпературного спекания
Для силовой электроники большой проблемой являются паяные соединения. Дело в том, что при росте температуры припой расширяется, а при уменьшении температуры — сжимается. Постоянное изменение температуры характерно, в частности, для блоков управления электродвигателями, так как рассеиваемая мощность устройства изменяется во времени. Компания Semicron для решения данной проблемы создала Sinter Technology - способ соединения деталей электронного устройства низкотемпературным спеканием вместо традиционной пайки. При использовании данной технологии толщина соединения по сравнению с пайкой уменьшается в 5 раз. В результате значительно уменьшаются абсолютные значения деформации под действием изменения температуры, а также на 5% снижается тепловое сопротивление.
На выставке Semicron представила плату, компоненты на которой установлены посредством низкотемпературного спекания, а также модуль инвертора на IGBT, где использовалась данная технология. На выставке «Силовая электроника» традиционно демонстрируется много моделей блоков питания, хотя на этот раз новинок среди них почти не было. Стоит отметить лишь два события. Российская компания «Ирбис» анонсировала выпуск серии драйверов для светодиодных светильников A220T_C_A17. Речь идет о драйвере мощностью 240 Вт со стабилизированным выходным током 1050 мА, коэффициентом пульсации не более 1% и степенью защиты IP66 и поддержкой диммирования. Эти драйверы способны выдерживать температуру окружающей среды до +70 C. До сих пор драйверы с таким сочетанием параметров приходилось импортировать, теперь же производятся в России. Благодаря герметичности корпуса и низкому уровню пульсаций блок драйвер подойдет для светильников, эксплуатирующихся на сложных, высокоточных производствах.
Новый блок питания от Mean Well вызвал большой интерес у посетителей выставки
Известный производитель MeanWell представил новую модель блока питания HEP 600-24. Это устройство способно работать в самых жестких условиях: вибрация до 10G, влага, температура до +70 °C. Входное напряжение от 100 до 240 В, выходное — 24 В. Также есть выход с напряжением 5 В и максимальным током 0,5 А. Это позволяет подключать устройства, получающие питание через интерфейс USB. От 24 В питаются не только устройства промышленной автоматики, но и светодиодные модули для подсветки рекламных конструкций, а также профессиональные светодиодные ленты. Предусмотрена возможность точной подстройки напряжения питания и значения силы тока, при которой срабатывает защита. Применение нового блока может быть самым разнообразным, но производитель рекомендует использовать его для питания промышленного оборудования, а также в наружной рекламе.
Алексей Васильев
