Обзор преимуществ силовых модулей без базовой платы

В этой статье сравниваются силовые модули с базовой платой и без нее с точки зрения механических, электрических и тепловых характеристик.

Представьте себе, что силовой модуль без платы может иметь такие же или даже лучшие возможности по сравнению с модулями с платой. Представьте себе, что вы можете разработать решение меньше и легче, чем когда-либо прежде. Нет тяжелой опорной плиты. Нет ухудшения качества пайки системы. Нет необходимости в многочисленных DCB и электрических соединениях. Больше места для полупроводников, меньше паразитной индуктивности и маленькие коммутационные цепи - нет ограничений на материалы изоляции DCB. Al2O3, Si3N4 и даже AlN сразу же обеспечивают превосходную термостойкость.

Компания Vincotech разработала корпус под названием VINcoPress, обладающий неожиданными характеристиками.

Силовой модуль Flow S3

Корпус силового модуля VINcoPress

Недорогой корпус без базовой  плиты можно использовать для струнных солнечных инверторов мощностью до 300 кВт, особенно для трехуровневых топологий. Корпус не ограничен какой-либо топологией и может использоваться для таких решений, как электроприводы , зарядные станции и ИБП.

Струнные инверторы должны быть легкими и небольшими и не нуждаться в перегрузочной способности. Поэтому базовая плита может не потребоваться. Чем больше один DCB, тем сложнее обеспечить хорошее давление на радиатор. Чтобы преодолеть этот недостаток, был создан VINcoPress.

Принцип технологии VINcoPress.

Давление на радиатор не исходит от монтажных винтов, предварительно изогнутой базовой платы или небольшого пластикового штифта в середине корпуса, который изгибает DCB до выпуклости. В этом случае давление исходит от крышки. Модуль Flow S3 (рис. 1) состоит из пластиковой рамы, которая удерживает только DCB и пластиковый корпус. Пластиковый корпус творит чудеса, прижимаясь к силиконовому гелю, который создает равномерное усилие внутри пластиковой рамки и прижимает весь модуль к радиатору. Небольшой зазор менее 1 мм между корпусом и радиатором, где расположены винты для крепления модуля, обеспечивает высокую долговременную силу при привинчивании пластика к радиатору.

Поскольку предварительный изгиб не требуется, а давление одинаково для всего DCB, можно без опасений использовать хрупкие подложки, такие как нитрид алюминия AlN. Полезная площадь на DCB для размещения полупроводников, выводов и соединительных проводов сравнима с хорошо известным модулем Flow 2 с базовой платой или E2 без базовой платы.

Термическое сопротивление

Трудно провести тепловое сравнение, поскольку Rth зависит от схемы DCB. Сколько меди окружает полупроводник и насколько близко расположены чипы друг к другу? Они расположены близко к краям модуля или посередине? Честное сравнение затруднено.

Просмотр технических характеристик различных модулей с одним и тем же чипом приводит к следующему:

Rth сравнение различных технологий.

Впервые модуль DCB приблизился к силовому модулю с медной пластиной толщиной 3 мм. В этом примере Flow S3, который имеет субстрат из Al2O3 толщиной 0,38 мм, работает примерно на 11% хуже, чем Flow 2 с тем же субстратом. Другие исследования показали только 6%.

Однако он работает намного лучше, чем модуль Flow 1 без базовой платs на основе субстрата толщиной 0,63 мм. Последний модуль в этом сравнении — Flow E2, в основе которого лежит тонкая керамика Al2O3 толщиной 0,38 мм.

Тепловой импеданс

На следующем графике показано сравнение теплового импеданса для Flow 2 и Flow S3 с одним и тем же полупроводником:

Zth сравнение Flow 2 (1) и Flow S3 (2)

Базовая плата помогает при передаче коротких импульсов, как показано на рисунке 4, но не так сильно, как другие технологии. VINcoPress прижимает модуль к радиатору с таким сильным давлением, что радиатор берет на себя работу базовой платы и поглощает часть энергии. Это не так хорошо, как базовая плата, но близко к этому. Это также сильно зависит от используемого материала термоинтерфейса.

Надежность

Надежность – один из важнейших факторов. Легко принять во внимание плохое сопротивление Rth, высокую паразитную индуктивность или плохую эффективность переключения. Однако оценки срока службы, FIT, механизм отказа и гарантия различаются.

Одно отличие уже можно увидеть. Это первый модуль без никелированного DCB. Все модули DCB Vincotech имеют никелированное покрытие, поскольку никель предотвращает рост дендритов. Дендриты любят расти в среде, загрязненной серой. Отсутствие никеля положительно влияет на цикличность включения и может не потребоваться для предотвращения образования дендритов, поскольку сегодня среда стала лучше.

Усовершенствованный припой также помогает. Компания Vincotech исследовала возможность секундного включения и выключения питания и так называемое высокотемпературное прямое смещение (HTFB), при котором силовой модуль находится при высокой температуре в течение длительного времени. Механизм разрушения — увеличение термического сопротивления из-за пустоты в середине полупроводника. Напротив, механизмом отказа при тесте на секунды включения и выключения питания является увеличение Rth или отрыв соединительного провода.

HTFB для стандартного и усовершенствованного припоя и режим отказа.

Сравнение проводится между DCB с никелевым покрытием и стандартным припоем и DCB из чистой меди, где использовался усовершенствованный припой. Условием испытания во время этого исследования является ток, который позволяет температуре полупроводника подняться до 150°C. Его выдерживают при этой температуре до тех пор, пока Rth не увеличится на 20%. Это испытание было остановлено по истечении срока службы, в десять раз превышающего обычный, и никаких сбоев не произошло, а это означает, что максимальная полезная температура перехода может быть увеличена с помощью нового припоя.

Сравнение стандартного и нового припоя на стандартном никелированном DCB приводит к увеличению срока службы как минимум в восемь раз. В то время как высокотемпературное прямое смещение представляет интерес для устройств с пайкой, возможность секундного включения и выключения питания является обязательной для устройств с приводами.

Испытание проводилось при температуре ΔT 90 К, виртуальной максимальной температуре перехода 150°C и времени включения 2 с, что привело к увеличению в 1,9 раза с 72 килоциклов до 136 килоциклов на основе никелевого сплава. позолоченный DCB. Поэтому от неникелированных DCB ожидается еще более высокая надежность. Использование нового усовершенствованного припоя и нагревание компонента до 175°C приводит к увеличению срока службы по сравнению со стандартным припоем с температурой полупроводника 150°C.

Отсутствие медной базовой платы не приводит к расслоению припоя системы, поэтому надежность не страдает в устройствах с высокими температурными циклами, например, у зарядных станций.

Корпуса силовых модулей с базовой платой и без неё

Технология VINcoPress обладает лучшей термической устойчивостью, чем стандартные технологии модулей DCB, а термический импеданс близок к модулям с медной базовой платой. Полная конструкция модуля Flow S3 обеспечивает повышенную механическую прочность и делает возможным использование AlN DCB. Расслоения системного припоя не наблюдалось из-за отсутствия базовой платы. Усовершенствованный припой обеспечивает более высокие рабочие температуры перехода и более длительный срок службы. Уникальные характеристики модуля Flow S3 делают его идеальным для широкого спектра применений. Керамические конденсаторы могут быть собраны на основе технологии свободного позиционирования выводов, используемой в течение многих лет в модулях Vincotech для снижения перенапряжения во время выключения