А тепер ми поговоримо про те, які напрямки на сьогоднішній момент є «переднім краєм» галузі створення нових модифікацій транзисторів IGBT Оскільки розглянутий нами тип транзистора знаходить застосування в напрямках електронної техніки, де необхідно управляти великими струмами при високій напрузі, актуальною залишається завдання підвищення максимально-допустимого напруги «коллекор-емітер» Якщо роботи в цьому напрямку підуть успішно, то в найближчому майбутньому IGBT зможуть повністю витіснити потужні високовольтні тиристори, які традиційно застосовуються в електроенергетичному обладнанні, де, як відомо, напруги вимірюються десятками кіловольт, а струми – десятками тисяч ампер

На сьогоднішній день серійні транзистори IGBT успішно «взяли планку» на рівні 6,5 кВ напруги «коллекор-емітер» Такі напруги можуть дуже легко приводити до поверхневих витокам струмів, пробою діелектриків і появі різних видів електричного розряду, тому корпуси для високовольтних IGBT повинні мати особливу конструкцію На рис 2154 показано корпус типу IHM, розроблений фірмою «Еірес» Це – досить великий «цеглина» з розмірами 190 x 140 x 48 мм

Рис 2154 Високовольтний модуль IGBT в корпусі типу IHM

Значний інтерес для розробника силової перетворювальної техніки може представляти продукція ЗАТ «Електрум АВ» [22] (м Орел) Ця вітчизняна фірма – приклад динамічно розвивається підприємства малого бізнесу, який зумів вийти на світовий рівень якості продукції та стрімко завойовує вітчизняний ринок силової електроніки Звичайно, номенклатура випускаються нею типових модулів поки не зрівнялася з номенклатурою провідних зарубіжних фірм, але цілком достатня для забезпечення переважної більшості завдань розробки перетворювальної техніки Фірмою випускається декілька тіпономіналов транзисторів IGBT, розміщених в корпусах DOUBLE-INT-A-PAK і INT-A-PAK за схемами рис 2145 «б», «е», «ж», з маркуванням M10, M11, M12, що працюють при напрузі «колектор-емітер» до 1200 В і струмами колектора до 200 А (номінальні значення струмів вибираються з ряду 50 А, 75 А, 100 А, 150 А, 200 А) Тут ми ще раз нагадаємо читачеві, що, як показала практика розробки перетворювальної техніки, саме ці виконання модулів найбільш добре затребувані Інтерес для розробника також може представляти випуск серії моду-

лей MKKH з вбудованими драйверами управління (про ці модулях ми поговоримо в розділі, присвяченому драйверам) Взагалі, якщо говорити про тенденції розвитку продукції «Електрум АВ», то фірма розширює номенклатуру інтелектуальних модулів, оскільки цей сегмент вітчизняного ринку поки ніким не зайнятий

До речі, якщо вже ми згадали інтелектуальні модулі, то доречним буде згадати фірму «Mitsubishi Electric» [23] Звичайно, в номенклатурі цієї фірми є велика кількість типових модулів, з тіпономіналов яких читач зможе ознайомиться, якщо

загляне на сайт А принципова схема інтелектуального модуля типу MG800J2YS50A показана на рис 2155, корпус – на рис 2156 Номінальні параметри модуля: напруга «колектор-емітер» до 600 В, струм колектора – до 800 А З принципової схеми модуля видно, що входять до складу транзистори IGBT виконані з струмовим відведенням (схемою зчитування струму) і блокуванням затворів по сигналу перевищення номінального струму силового кола Таким чином, в модулі вже на етапі його виготовлення зявляється схема захисту від аварійних режимів, що, звичайно, сприяє підвищенню його надійності Доповни-

вальний елемент захисту, вбудовується в модуль на етапі виготовлення, – це терморезистор

Як читач уже встиг помітити, зовні все модулі IGBT представляють собою досить міцні конструкції Але, тим не менш, при установці їх в перетворювач необхідно дотримуватися ряду правил по монтажу, щоб не порушити внутрішню структуру і не піддати модуль механічного руйнування При монтажі контактні поверхні модулів і охолоджувачів повинні бути рівними і чистими, з шорсткістю не більше 2,5 мкм Теплопроводящая паста наноситься на поверхні, що сполучаються за допомогою валика, а ніяк не розмазується пальцями Вважається, що теплопровідний компаунд завдано в достатній кількості, якщо навколо змонтованого модуля рівномірно видавлено його невелика кількість Кріплення модулів до охолоджувача обовязково потрібно здійснювати сталевими гвинтами з використанням плоских пружинних шайб, нормувати зусилля затягування за допомогою спеціального ключа (як правило, виробник вказує зусилля, що допускається для безпечної затягування) .. Втім, конструктивне оформлення статичних перетворювачів ми розглянемо далі, у відповідній главі А тут, на завершення цього розділу, розповімо про перспективні розробки силової елементної бази, що ведуться як у нас в країні, так і за кордоном

Згідно з дослідженнями вітчизняних фахівців у галузі створення нової елементної бази силової електроніки, звіт про які наведено в [24] і [25], що випускаються сьогодні транзистори IGBT, при їх незаперечних перевагах, володіють також і рядом істотних недоліків Дослідники піддали аналізу режим насичення транзисторів IGBT і порівняли його з режимом насичення звичайних біполярних транзисторів Виявилося, що в режимі насичення класичні біполярні транзистори проявляють себе набагато краще транзисторів IGBT за величиною напруги насичення: у першого класу приладів напруга насичення складає долі вольта, в той час як у IGBT транзисторів воно досягає декількох вольт Також до числа істотних недоліків були внесені небезпека замикання чотиришарових структур і невисока стійкість до іонізуючого випромінюванню (що істотно для спеціальних застосувань) Крім усього іншого, дослідники відзначають, що на шляху подальшого вдосконалення технології виробництва вітчизняних IGBT приладів встав так званий «російський фактор» – істотна відсталість виробничих потужностей, що не дозволяє виробляти економічно вигідні сучасні прилади, як це можуть дозволити собі провідні світові фірми, що володіють достатніми фінансовими засобами Отже, необхідний пошук альтернативних технічних рішень, які дозволять створювати вітчизняні керовані ключі на існуючої технологічної базі

Але повернемося до аналізу недоліків IGBT транзисторів Чому ці прилади мають настільки високе значення напруги насичення Знову звернімося до рис 2130 а), на якому показана внутрішня структура IGBT приладу Навіть нескладний теоретичний розрахунок показує, що транзистор VT2 в даній схемі «працює» в активній зоні, реально не досягаючи стану глибокого насичення, характерного для біполярних транзисторів в ключовому режимі Базова область цього транзистора принципово не може отримати напруга, негативне по відношенню до колектора, а це – ознака саме активного стану Різними технологічними прийомами можна лише наближатися до насиченого стану, але ніяк не гарантується його надійне забезпечення

У звязку з пошуком шляхів подолання названих недоліків увагу вітчизняних дослідників було звернено на порядком забуту схему комбінованого напівпровідникового пристрою, засновану на каскодних зєднанні низьковольтного потужного MOSFET транзистора з високовольтним транзистором біполярного типу За основу була взята запропонована в 80-х рр. XX століття схема СІ-тиристора з керуванням від потужного MOSFET, яка не була реалізована в промисловому виробництві через непереборні технологічних труднощів, що існували на той момент Вітчизняні автори вирішили розділити кристали СІ-тиристора і MOSFET транзистора, створивши гібридний прилад з двома кристалами, придатний для пересічного вітчизняного виробництва На рис 2157 показана еквівалентна схема нового приладу, яка відрізняється від схеми, наведеної на рис 2130, а, наявністю діодаУБ1, який створює на затворі транзистора VT4 позитивний потенціал, утворюючи «підпірний» джерело напруги для транзистора VT2 і тим самим вводячи його в режим глибокого насичення Крім цього, у даному випадку зникає паразитная тиристорна структура, утворена транзисторами VT2 і VT3

З метою перевірки характеристик розробленого силового приладу, названого дослідниками KCMT (комбінований складовою СІТ-МОП транзистор), або H-IGBT, були виготовлені дослідні зразки та проведені їх дослідження Виявилося, що частотний діапазон KCMT не гірше, ніж у звичайних IGBT транзисторів При одіанкових часи включення і виключення KCMT дійсно має менше напруги насичення у відкритому стані Більш того, не існує ніяких фізичних перешкод створенню KCMT модулів на напруги до 6,5 кВ (і навіть вище), і на номінальні струми 1 кА і більше Із збільшенням допустимої напруги «Колектор-емітер» переваги KCMT в порівнянні з типовими структурами IGBT проявляються все більш істотно А ось в області малих струмів і напруг KCMT не мають ніякого виграшу

Дослідники наводять таблицю характеристик дослідного зразка KCMT типу M2TKC-50-12, виготовлений ЗАТ «Контур» і має такі основні технічні параметри: номінальний струм – 50 А, максимальне значення напруги «колектор-емітер» – 1200 В Для порівняння наведені аналогічниеданние по серійному IGBT модулю типу CM50DY-24H, що випускається фірмою «Mitsubishi Electric» [23] Дані зведені в табл 2110

Таблиця 2110 Порівняльні характеристики KCMT типу M2TKC-50-12 і IGBT типу CM50DY-24H

Зовнішній вигляд KCMT наведено на рис 2158 Зліва розташований дослідний зразок модуля M2TKC-50-12, а праворуч – модуль CM50DY24H, розміщений в аналогічному корпусі

Дослідники не без підстави стверджують, що створений новий силовий модуль, придатний для виробництва на вітчизняному оборудо-

Рис 2158 Зовнішній вигляд KCMT M2TKC-50-12 в порівнянні з IGBT

CM50DY-24H

вання, параметри якого багато в чому краще параметрів звичайних IGBT транзисторів, вироблених провідними зарубіжними фірмами Таким чином, новий прилад вже в найближчому майбутньому може скласти конкуренцію класичним IGBT приладів за умови освоєння його промислового виробництва

Джерело: Семенов Б Ю Силова електроніка: професійні рішення – М: СОЛОН-ПРЕСС, 2011 – 416 c: Ил