Les modules bipolaires restent une solution robuste et économique pour les applications industrielles à fréquence de ligne. Bien que le fonctionnement de base de tels circuits n’ait pas changé, la technologie d’emballage dans les modules de puissance continue de s’améliorer.
Cet article est publié par pÉlectrique dans le cadre d’un partenariat exclusif de contenu numérique avec les systèmes de puissance de Bodo.
Les modules bipolaires restent une solution robuste et économique pour les applications industrielles à fréquence de ligne. Bien que le fonctionnement de base de ces circuits n’ait pas changé, la technologie d’emballage dans les modules de puissance continue de s’améliorer. Depuis son invention en 1975, le module rectificateur à plaque de base isolée SEMIPACK a évolué pour devenir une large gamme de produits couvrant de nombreux courants et topologies. Il est devenu la référence dans les redresseurs 50/60Hz et les contrôleurs AC, et est largement utilisé dans des marchés tels que les entraînements de moteurs, les systèmes d’onduleurs (UPS) et le contrôle des procédés.
La gamme de produits SEMIPACK (Figure 1) couvre désormais six boîtiers différents contenant des diodes et/ou des thyristors avec des courants nominal de 60A (SEMIPACK 1) à plus de 1300A (SEMIPACK 6). Ces modules sont configurés pour la redressement non contrôlé (diode/diode), semi-contrôlé (thyristor/diode), et entièrement contrôlé (thyristor/thyristor). Les modules thyristor/thyristor sont également facilement configurables pour le contrôle AC (connexion en antiparallèle). La construction de ces modules varie selon la gamme. Les modules de faible puissance ont des connexions à fils et à souder, tandis que les types plus grands ont une construction sous pression semblable à celle des dispositifs capsule.
Chacun des six formats de boîtier a subi des révisions individuelles. Le type original, SEMIPACK 1, a connu cinq changements générationnels pour maintenir sa position de leader sur le marché. Actuellement, la 6ème génération, SEMIPACK 1.6, est disponible avec toute la gamme de courants. Cela offre les meilleures performances et capacités de courant pour toutes les applications bipolaires.
Construction du module
Le module SEMIPACK 1 utilise une construction bien établie composée d’un cadre de connexion, de puces sur substrat et d’une plaque de base. L’utilisation d’une plaque de base en cuivre dans ces modules de 20 mm de large améliore la répartition thermique tout en offrant une surface de montage robuste sur différents types de dissipateurs thermiques. Pour le SEMIPACK 1.6 de 6ème génération, la construction interne a été modifiée. Ces changements améliorent les performances thermiques et réduisent les matériaux, améliorant ainsi considérablement le rapport coût/performance.
Figure 1. Famille SEMIPACK. Image utilisée avec l’aimable autorisation de Bodo’s Power Systems []
Figure 2. Comparaison de la construction interne. Image utilisée avec l’aimable autorisation de Bodo’s Power Systems []
Tout d’abord, l’empilage des matériaux sous la puce bipolaire a été considérablement simplifié (Figure 2, en haut). Cela réduit en grande partie la résistance thermique entre la puce et la plaque de base (Rth(j-c)). Le SEMIPACK 1.6 présente une réduction de 46 % de la résistance thermique à l’état stable de la jonction de semi-conducteur au boîtier par rapport à la génération précédente (Figure 2, en bas).
Deuxièmement, la plaque de base du SEMIPACK 1.6 a été réduite en taille. Cela permet d’économiser du cuivre précieux, avec une réduction de poids totale du module de 95g à 75g (-18%). Cependant, dans les générations précédentes de SEMIPACK, cette plaque de base avait également des trous de vis et exerçait une pression de montage pour maintenir le module sur le dissipateur thermique. Cela nécessitait une courbure complexe de la plaque de base pour assurer un contact uniforme avec le dissipateur thermique après montage. Dans le design “hybride” du SEMIPACK 1.6, le boîtier en plastique renforcé enveloppe la plaque de base et fournit la pression de montage. Cela permet une géométrie de plaque de base beaucoup plus simple, augmentant ainsi considérablement la surface de contact effective avec le dissipateur thermique sous les puces. L’amélioration de la surface de contact métal à métal entre la plaque de base et le dissipateur thermique signifie également que moins de matériau d’interface thermique est nécessaire. Le SEMIPACK 1.6 réduit la résistance thermique au niveau boîtier/dissipateur, Rth(c-s), de 35 % (Figure 3) par rapport à la génération précédente, avec une valeur typique de 0,09K/W.
Figure 3. Comparaison de la construction externe. Image utilisée avec l’aimable autorisation de Bodo’s Power Systems []
Malgré ces changements dans la construction, les dimensions externes, les emplacements de montage et les bornes électriques restent identiques à ceux des générations précédentes de SEMIPACK 1. Cela signifie que les conceptions mécaniques existantes peuvent bénéficier d’une performance accrue. En tant que package standard de l’industrie, le SEMIPACK peut remplacer les redresseurs obsolètes dans le même espace.
Performance d’application
Les performances thermiques améliorées de la 6ème génération sont évidentes lorsqu’on examine la température de la jonction du semi-conducteur pendant le fonctionnement dans un circuit électrique typique. L’un des circuits industriels les plus courants est le redresseur à pont triphasé alimenté par la ligne. Celui-ci peut facilement être construit avec trois modules SEMIPACK 1 sur un seul dissipateur thermique. L’entrée du pont correspond à une tension de ligne typique ( par exemple, 400VAC, 50Hz), l’alimentation DC étant filtrée pour fournir du courant à une charge typique (par exemple, un onduleur). Un tel circuit peut facilement être simulé à l’aide de l’outil de simulation en ligne SemiSel, accessible via le site web de Semikron Danfoss. Cet outil gratuit inclut des modèles de tous les types SEMIPACK et fournit rapidement la température de la jonction de semi-conducteur pour un ensemble de conditions donné. Pour cet exemple, les trois modules SEMIPACK sur un dissipateur thermique sont refroidis par air forcé avec une température d’entrée de 45°C. Si l’on suppose que l’onduleur en sortie du redresseur entraîne un moteur, il est courant de considérer également une surcharge de 180 % pendant 3s.
Avec ces conditions à l’esprit, les SEMIPACK à double diode (SKKD) des 5ème et 6ème générations peuvent être comparés (Figure 4). Chaque SEMIPACK 1 de 5ème génération est d’abord simulé avec le courant de sortie du pont redresseur qui fait atteindre à la température de jonction la limite de fonctionnement recommandée lors d’une condition de surcharge. Comme c’est commun dans la conception à travers l’industrie, cette limite de température de fonctionnement recommandée est de 10°C en dessous de la température de jonction maximale indiquée dans la fiche technique.
Par exemple, le SKKD 81 (5ème génération) atteint presque la limite de fonctionnement recommandée (115°C) lorsque le courant de sortie du redresseur triphasé est de 207ADC (condition de surcharge 3s). Cependant, dans les mêmes conditions de fonctionnement et courant de sortie, le dispositif équivalent de 6ème génération (SKKD 95) ne dépasse pas une température de jonction de 103°C. De plus, la sortie de la 6ème génération de SEMIPACK a permis de qualifier les dispositifs à une température de jonction maximale, Tj,max, de 130°C. Cela représente une augmentation de 5°C par rapport à presque tous les dispositifs de la 5ème génération. En incluant la marge de fonctionnement de 10°C mentionnée précédemment, cela signifie que les dispositifs de 6ème génération peuvent fonctionner en continu jusqu’à 120°C.
Figure 4. SEMIPACK 1.5 vs. 1.6 (configuration diode/diode). Image utilisée avec l’aimable autorisation de Bodo’s Power Systems []
Portefeuille
Le nouveau portefeuille SEMIPACK 1.6 (Figure 5) couvre la gamme de courant existante de la 5ème génération tout en élargissant la limite supérieure de courant. La conception améliorée permet un IFAV = 143A à Tc = 85°C pour les packages équipés de doubles diodes. Dans le cas des packages équipés de thyristors (SKKH et SKKT), la notation de courant de ITAV = 145A à Tc = 85°C est la plus élevée du marché pour les packages de 20mm. La capacité de courant de surtension est également la meilleure de sa catégorie, avec ITSM = 2210A @ Tj = 130°C.
Étant donné l’utilisation répandue des réseaux 400/480V, tous les SEMIPACK 1.6 ont une tension de blocage inverse de 1600V. Cependant, des dispositifs à 1800V seront également proposés.
Figure 5. Portefeuille SEMIPACK 1.6. Image utilisée avec l’aimable autorisation de Bodo’s Power Systems []
Résumé
La 6ème génération de SEMIPACK 1 poursuit la tradition d’innovation amorcée avec le module de semi-conducteurs de puissance isolé original. En utilisant moins de matériaux, le SEMIPACK 1.6 contribue aux efforts visant à améliorer la durabilité dans l’industrie électronique tout en améliorant simultanément les performances thermiques. Avec chaque nouvelle génération SEMIPACK, le rapport coût/performance s’améliore, garantissant qu’il demeure le module redresseur de choix pour toutes les applications industrielles.
Cet article est apparu à l’origine dans Bodo’s Power Systems [].