FRD100CA120 - Модуль / Электронный компонент / Полупроводник FRD100CA120 FRD1OOCA12O

Sanrex FRD100CA120 | Силовой модуль диода с быстрым восстановлением — 1200 В Vrrm, 100 А Ifa, 1,80 В прямого падения, 16600 А²с I²t, изолированная опорная пластина DCB, изоляция 2500 В

Обзор

Sanrex FRD100CA120 — это силовой модуль диода с быстрым восстановлением на 1200 В / 100 А — одно из зарекомендовавших себя предложений Sanrex по высоковольтным диодным модулям для промышленной силовой электроники.

В схемах преобразования мощности не все диоды одинаковы. Стандартные выпрямительные диоды (предназначенные для выпрямления сетевого напряжения 50/60 Гц) накапливают заряд в своем переходе при прямом смещении и высвобождают его в виде обратного тока при изменении полярности напряжения на них — явление, называемое обратным восстановлением. 

При медленном выпрямлении на сетевой частоте этот обратный ток восстановления кратковременен по сравнению со временем цикла и имеет незначительные практические последствия. 

В высокочастотных коммутируемых схемах, где приложенное напряжение меняет полярность за микросекунды, импульс обратного тока диода с медленным восстановлением может быть таким же большим, как и прямой ток, и длиться достаточно долго, чтобы вызвать короткое замыкание шины питания через ключ, генерируя разрушительные пики тока и рассеивая значительную мощность.

Диоды с быстрым восстановлением изготавливаются с использованием различных полупроводниковых структур — оптимизированных профилей легирования перехода, узких ширин базы и контролируемых времен жизни — для уменьшения накопленного заряда и ускорения процесса обратного восстановления.

В результате получается диод, который перестает проводить ток в обратном направлении за доли микросекунды, а не за несколько микросекунд.

Напряжение блокировки FRD100CA120 в 1200 В охватывает стандартное напряжение шины звена постоянного тока для трехфазных приводов с питанием от 400 В переменного тока (с выпрямленным напряжением шины примерно 560 В постоянного тока плюс запас по снижению номинальных характеристик), а номинальный ток 100 А относит его к области применения в качестве фривилингового диода и выпрямителя для приводов средней мощности с регулируемой частотой.

Sanrex (компания Shindengen) производит силовые полупроводниковые модули для промышленной автоматизации с 1970-х годов, а диодные модули серии FRD признаны в сообществе специалистов по обслуживанию сервоприводов и инверторов как надежные компоненты с предсказуемыми электрическими характеристиками.

FRD100CA120 соответствует стандартным международным типоразмерам корпусов, используемым Semikron, Infineon, Powerex и другими крупными производителями модулей — практическое преимущество для обслуживания систем, когда оригинальный тип модуля недоступен.

Ключевые характеристики

Почему 1200 В и 100 А — Понимание границы применения

Номинальное значение Vrrm 1200 В определяет максимальное напряжение, которое диод блокирует при обратном смещении без лавинного пробоя.

В трехфазной системе 400 В переменного тока выпрямленное напряжение шины постоянного тока составляет примерно 565 В постоянного тока. При стандартном снижении номинальных характеристик безопасности (номинальное напряжение устройства должно быть как минимум в 1,5–2 раза выше приложенного блокирующего напряжения при нормальной работе, с дополнительным запасом для переходных процессов) 1200 В является подходящим классом напряжения для систем 400–480 В переменного тока. 

Устройство на 600 В имело бы недостаточный запас для переходных перенапряжений, вызванных коммутацией нагрузки, замыканиями на землю двигателя и возмущениями в сети. Устройство на 1700 В обеспечивает больший запас, но при более высокой стоимости и, как правило, немного более высоком прямом напряжении.

Номинальный ток Ifa 100 А — указанный при температуре корпуса Tc = 78°C — определяет непрерывный прямой ток, который модуль выдерживает, не превышая предел температуры перехода. Условие температуры корпуса имеет решающее значение: способность диодного модуля к току полностью зависит от того, насколько хорошо отводится его тепло.

При Tc = 78°C (температура корпуса, требующая адекватного теплоотвода — радиатор, термоинтерфейсный материал и адекватное воздушное или жидкостное охлаждение) диод непрерывно пропускает 100 А.

Если температура корпуса превышает 78°C из-за недостаточного охлаждения, номинальный ток должен быть снижен в соответствии с кривой снижения номинальных характеристик модуля.

Ifsm 2000 А определяет способность модуля выдерживать кратковременный ток короткого замыкания — например, разряд большого банка конденсаторов шины постоянного тока через вышедший из строя ключ в инверторе привода. I²t 16 600 А²с — это предел поглощения энергии, который диод может выдержать без разрушения — используется для выбора соответствующего предохранителя для защиты от сверхтока.

Технология DCB — что делает модуль надежным

Подложка DCB (Direct Copper Bonded) является основой надежности модуля. В силовом полупроводниковом модуле кремниевый кристалл генерирует тепло во время проводимости, и это тепло должно проходить через подложку к опорной пластине, а затем к радиатору.

Любое тепловое сопротивление на этом пути увеличивает температуру перехода при заданном рассеивании мощности.

Подложка DCB напрямую связывает медные слои с керамическим изолятором (обычно оксидом алюминия Al₂O₃ или нитридом алюминия AlN) с использованием высокотемпературного диффузионного процесса, создавая металлургическую связь — не пайка, не клей — между медью и керамикой.

Эта прямая связь имеет более низкое тепловое сопротивление и лучшую устойчивость к усталости при термических циклах, чем у старых подложек с пайкой или эпоксидным связыванием керамики.

По мере того как модуль нагревается и охлаждается в течение многих рабочих циклов на протяжении многих лет службы, подложка DCB сохраняет свою тепловую связь, в то время как структуры с пайкой могут образовывать пустоты и расслоения, увеличивающие тепловое сопротивление и в конечном итоге приводящие к преждевременному отказу.

Подложка DCB также обеспечивает изоляцию 2500 В между полупроводниковыми устройствами (которые работают под потенциалом шины постоянного тока) и опорной пластиной (которая монтируется на радиатор, обычно имеющий потенциал земли в системе).

Эта изоляция позволяет монтировать модуль непосредственно на металлический радиатор без дополнительной изолирующей прокладки в большинстве установок.

Применение диодов с быстрым восстановлением в системах привода двигателей

Типичные области применения FRD100CA120 в силовой электронике приводов с регулируемой частотой и сервоприводов включают несколько различных позиций в схеме:

Фривилинговые диоды в инверторном мосту: В трехфазном ШИМ-инверторе каждый ключ IGBT соединен с фривилинговым (антипараллельным) диодом. Когда IGBT выключается во время работы по ШИМ, индуктивный ток двигателя продолжает протекать через фривилинговый диод до следующего коммутационного события.

Эти диоды должны быстро восстанавливаться из состояния прямой проводимости, когда IGBT снова включается — если их восстановление медленное, обратный ток протекает через IGBT в течение времени восстановления, увеличивая потери при переключении и нагрузку на IGBT. 

Быстрое восстановление поэтому является основным требованием для фривилинговых диодов инвертора.

Фривилинговое усиление в схемах PFC: Активные схемы коррекции коэффициента мощности используют топологию повышающего преобразователя, где быстрый диод на выходной ступени повышающего преобразователя блокирует выпрямленное напряжение и пропускает ток индуктора. Диод переключается с частотой переключения повышающего преобразователя — обычно 20–100 кГц — требуя быстрого восстановления для минимизации потерь и кондуктивных электромагнитных помех.

Фривилинговое торможение в тормозном чоппере: В системах привода с тормозным чоппером (ключ, который рассеивает энергию торможения в резисторе при повышении напряжения на шине постоянного тока) фривилинговый диод подключен параллельно ключу чоппера, чтобы позволить току рециркуляции индуктора тормозного резистора во время периода отключения чоппера.

Часто задаваемые вопросы

В1: В чем разница между диодом с быстрым восстановлением и ультрабыстрым диодом, и к какой категории относится FRD100CA120?

Различие в основном заключается во времени обратного восстановления (trr) — времени от момента изменения направления тока диода до момента полного блокирования диодом. Диоды с быстрым восстановлением обычно имеют значения trr в диапазоне 100–500 наносекунд, в то время как ультрабыстрые диоды достигают trr ниже 100 нс.

Точное значение trr для FRD100CA120 указано в техническом описании Sanrex — обозначение серии FRD указывает на быстрое восстановление. Для частот переключения до примерно 20 кГц (обычных для ШИМ-приводов в промышленности) диоды с быстрым восстановлением, как правило, достаточны.

Для более высоких частот (выше 50 кГц) в высокопроизводительных преобразователях могут быть предпочтительны ультрабыстрые диоды или диоды Шоттки SiC для дальнейшего снижения потерь при переключении.

В2: Ifsm составляет 2000 А. Может ли этот диод выдержать короткое замыкание на шине постоянного тока без защиты?

Нет. Ifsm (Пиковый не повторяющийся ток короткого замыкания по прямому направлению) представляет собой способность диода выдерживать одиночный кратковременный импульс тока — обычно определяемый для полупериода синусоидального импульса определенной длительности (обычно 8,3 мс или 10 мс по стандартам IEC).

Короткое замыкание на шине постоянного тока в системе привода может привести к устойчивым токам неисправности, значительно превышающим 2000 А, а значение I²t (16 600 А²с) определяет предел энергии, который диод поглощает до разрушения. 

Система защиты полупроводников — вышестоящие предохранители, детектирование снижения насыщения драйвера затвора IGBT или реакторы с ограничением тока — должна устранить неисправность до того, как энергия, проходящая через диод, превысит его номинальное значение I²t.

Выбор предохранителя для защиты диода использует значение I²t для выбора предохранителя с меньшим значением пропускаемой энергии I²t, чем номинальное значение диода.

В3: Является ли FRD100CA120 прямой заменой аналогичных модулей от других производителей, таких как Semikron, Infineon или Powerex?

Электрические характеристики FRD100CA120 (1200 В, 100 А, 1,80 В прямого напряжения) и стандартный типоразмер корпуса с шириной основания 34 мм совместимы с международным стандартным корпусом, используемым модулями от Semikron (например, SKE100/16), Infineon (DD100N12K) и Powerex в том же классе номинальных характеристик.

Механические размеры монтажа и положения выводов в этом стандартном корпусе, как правило, согласованы между производителями, что облегчает перекрестную замену.

Однако электрические параметры — в частности, время обратного восстановления (trr), заряд восстановления (Qrr) и тепловое сопротивление переход-корпус (Rth(j-c)) — следует сравнивать между оригинальной спецификацией и замещающим модулем, чтобы подтвердить совместимость в конкретной схеме применения. 

Модули разных производителей в одном классе номинальных характеристик могут иметь различные динамические характеристики.

В4: Как следует монтировать модуль FRD100CA120 для достижения номинальной токовой нагрузки?

Номинальный ток 100 А при Tc = 78°C требует, чтобы температура опорной пластины модуля поддерживалась на уровне 78°C или ниже при полной нагрузке.

Для этого требуется: термоинтерфейсный материал (термопаста или вырезанная термопрокладка) между опорной пластиной модуля и радиатором для минимизации контактного теплового сопротивления; адекватное тепловое сопротивление радиатора для общего рассеивания мощности (при прямом токе 100 А с Vfm = 1,80 В потери проводимости составляют примерно 180 Вт); и достаточный поток воздуха над ребрами радиатора.

Монтажные винты должны быть затянуты с моментом, указанным в техническом описании Sanrex, для обеспечения равномерного давления теплового контакта без повреждения керамической подложки модуля.

В5: В техническом описании указано I²t 16 600 А²с. Как это значение используется на практике?

I²t (интеграл квадрата тока по времени) — это тепловая энергия, которую кремниевый переход диода поглощает во время события сверхтока. Предохранители имеют номинал максимальной пропускаемой энергии I²t — энергию, которую они пропускают во время времени срабатывания.

Чтобы диод выдержал неисправность, устраняемую его вышестоящим предохранителем, значение пропускаемой энергии I²t предохранителя должно быть меньше номинального значения I²t диода, равного 16 600 А²с.

Таблицы выбора предохранителей в каталогах производителей содержат значения пропускаемой энергии I²t для различных номиналов предохранителей и уровней тока неисправности, что позволяет инженеру по защите проверить, что выбранный предохранитель защищает диод.

Предохранитель со значением I²t, превышающим 16 600 А²с, пропустит достаточно энергии через диод во время срабатывания, чтобы разрушить его до размыкания цепи.