О некоторых «тонкостях» технологии силовой преобразовательной техники

September 6, 2013 by admin Комментировать »

При производстве, особенно серийном, силовой преобразовательной техники необходимо уделить внимание технологическим аспектам ее изготовления. Именно на этом этапе должны быть учтены специфические технологические приемы, которые позволят исключить большой процент брака на выходе готовой продукции. Конечно, мы не будем здесь упоминать такие стандартные технологические приемы, как необходимость входного контроля поступающих на сборку электронных компонентов и механических деталей, чистоту отмывки печатных плат, надежность пайки, необходимость покрытия влагозащитными лаками критичных к воде узлов, общую культуру производства. Эти меры очевидны, и на любом предприятии, производящем серийную электронную технику, они включены в систему качества. Мы поговорим о тех специфических требованиях, которые необходимо ввести в процесс изготовления мощных статических преобразователей.

В предыдущем разделе мы упоминали о том, что силовые полупроводниковые компоненты, как правило, устанавливаются на элементы их охлаждения, которые не только обеспечивают механическую прочность преобразовательной схемы, но еще и обеспечивают нормальный тепловой режим. Поскольку сопрягаемые поверхности (подложка полупроводникового компонента и радиатор) имеют некоторую шероховатость, обеспечить хороший тепловой контакт простым прижимом силовых компонентов к радиаторам, как правило, не удается. Не поможет здесь и затяжка крепежных винтов «до отказа». Более того, эта «затяжка», ограничиваемая только физическими возможностями, конкретного сборщика и применяемого им инструмента, чревата повреждением самих полупроводниковых модулей. Поэтому для обеспечения хорошего теплового контакта применяют теплопроводящие пасты, заполняющие неровности поверхностей.

Казалось бы, что может быть проще процесса нанесения теплопроводящей пасты на сопрягаемые поверхности? Мы ведь ежедневно намазываем маслом бутерброды! Так за чем же тогда дело стало? С помощью пластины намазываем на поверхность модуля теплопроводящую пасту из баночки, или выдавливаем ее из тюбика, как крем, прижимаем модуль к радиатору, затягиваем винты, убираем тряпкой выдавленную из-под модулей пасту и… Стоп! Такой подход действительно годится лишь за обеденным столом, а в производстве (или ремонте) преобразовательной техники нужно поступать совершенно иначе. Почему? Оказывается, если поступать таким способом, теплопроводящая паста ляжет на поверхность неровно, в ней образуются пустоты, что нисколько не уменьшит тепловое сопротивление между модулем и радиатором. Более того, там, где образуются пустоты, в процессе работы модуля возникнут локальные перегревы — а это прямой путь к растрескиванию керамической подложки полупроводника при циклическом воздействии температур. Пример неудачно нанесенной термопасты показан на рис. 3.4.1. На этом рисунке хорошо видны локальные пустоты.

Рис. 3.4.1. Пример неудачно нанесенной термопасты

К сожалению, некоторые отечественные фирмы не в должной степени внимания относятся к данной технологической особенности монтажа силовых полупроводниковых приборов. Автору книги лично доводилось видеть, как сборщики, не мудрствуя лукаво, размазывают теплопроводящую пасту пальцами и до отказа затягивают крепежные винты модулей. В результате часто приходится разбирать уже готовые силовые блоки, менять почему-то (а мы теперь знаем — почему) сгоревшие модули, снова намазывать их пастой и снова затягивать винты «до хруста суставов».

На самом деле преодолеть эту, казалось бы, «патовую» ситуацию весьма несложно. Во-первых, необходимо обеспечить обработку сопрягаемой поверхности радиатора с шероховатостью не более 6 мкм (в идеале шероховатость по Ra лучше выдержать на уровне 2,5 мкм) и плоскостностью не хуже 30 мкм. Во-вторых, равномерно нанести теплопроводящую пасту тонким слоем, значение которого лежит в пределах 20…50 мкм. В-третьих, при установке модуля на радиатор нужно соблюсти максимальную параллельность его первичного прижатия. И, в-четвертых, затянуть крепежные болты ключом с нормированным усилием (оснащенным механизмом «трещотки»), следуя рекомендациям по последовательности затяжки, обычно приводимым в технической документации на конкретный модуль.

Каким образом равномерно нанести теплопроводящую пасту на сопрягаемую поверхность силового модуля? Как осуществлять контроль качества нанесения? Самый простой способ нанесения — это воспользоваться обрезиненным валиком и равномерно «раскатать» пасту по поверхности. Данная работа требует определенного навыка и периодического контроля толщины наносимого слоя. Осуществить контроль толщины нанесенного слоя можно с помощью несложного приспособления, которое выпускается промышленно, и его можно приобрести у дилеров электронных компонентов. Внешний вид двух исполнений контрольного приспособления показан на рис. 3.4.2.

Рис. 3.4.2. Приспособления лля контроля толшины слоя термопасты

Данное приспособление ставится ребром на сопрягаемую поверхность модуля с нанесенной термопастой, затем его прижимают к модулю и проводят по поверхности. По остаткам пасты на зубцах (они отстоят отбазовой поверхности приспособления на нормированную величину, указанную рядом с зубцом) можно судить о толщине нанесенного слоя. Результат правильного нанесения термопасты после снятия модуля с радиатора показан на рис. 3.4.3. Мы видим равномерно распределенную пасту, отсутствие пустот.

Приведенный способ нанесения термопасты годится для единичного и мелкосерийного производства, а также для ремонта преобразователей в условиях объекта, на котором он эксплуатируется. Если же

производство преобразовательной техники выходит за рамки мелкосерийного, необходимо — в целях обеспечения стабильности технологического процесса — использовать другие, более совершенные методы. В этом случае производители элементной базы рекомендуют пользоваться трафаретной печатью. На рис. 3.4.4 показано приспособление для трафаретной печати. В его составе имеется жесткое крепление для силового модуля при его установке контактной поверхностью вверх. Сверху на модуль опускается трафарет с нормированной толщиной и перфорацией в виде ячеек круглой (шестигранной) структуры. На трафарет должен быть заранее нанесен тонкий слой пасты, а нанесение термопасты на модули выполняется мягким шабером подобно тому, как выравнивают стены обычной строительной смесью.

В результате на поверхности модуля образуется структура, показанная на рис. 3.4.5. Для лучшего растекания пасты при прижиме

Рис. 3.4.4. Приспособление для трафаретной печати

ячейки выполнены с разным диаметром. К слову, некоторые фирмы-производители силовых компонентов решили не перекладывать задачу нанесения термопасты на плечи производителей конечного продукта, а поставляют модули с уже нанесенной ячеистой структурой. Понятно, что обращаться с такими модулями в процессе доставки и производства нужно крайне бережно, чтобы не испортить тонкую структуру слоя пасты.

Рис. 3.4.6. Монтаж модуля в корпусе EconoDUAL-3

Теперь — о механическом монтаже силовых модулей. Для крепления любых силовых модулей, особенно крупногабаритных, необходимо использовать стальные винты высокой твердости (например, стальные) с плоскими и стопорными шайбами. Использование латунных винтов крайне нежелательно, так как с течением времени они могут «течь» — изменять свою геометрию, что приведет к дополнительным механическим напряжениям и возможному растрескиванию внутренней структуры модулей. Затяжка крепежных винтов должна осуществляться по схеме, которую производители, как правило, приводят в своей технической документации. Операция затяжки выполняется в несколько проходов ключом с нормированным крутящим моментом. В первый проход производится с усилием, составляющим 10 % от номинального, во второй — с усилием 30—40 %, третий проход является финишным, с номинальным крутящим моментом. Между проходами очень желательно выдержать паузы, составляющие несколько минут, для улучшения процесса растекания теплопроводящей пасты.

Классическая схема затяжки модуля типа EconoDUAL-3, производимого фирмой «Infineon», показана на рис. 3.4.6. Затяжка выполняется в последовательности l-2-3-4, при этом на первом этапе затягивающее усилие составляет 0,5 H • м, на втором — 2 H • м, а на третьем (финишном) — не более 3…6 Н м. Более сложный вариант для корпуса типа EconoPACK+ приведен на рис. 3.4.7. Здесь затяжка происходит по схеме 1 —2—3—4—5—6—7—8 с теми же усилиями. Наиболее сложный вариант — монтаж модуля в корпусе PrimePACK, приведенный на рис. 3.4.8.

Здесь операция крепления подчиняется схеме 1— 2-3-4-5-6-7-8-9-10-11-12-13-14. Демонтаж модулей в случае необходимости выполняется в обратном порядке.

Поговорим еще об одной ошибке, иногда встречающейся при конструировании статических преобразователей. Корни ее скрываются в том обстоятельстве, что с виду силовые модули

Рис. 3.4.7. Монтаж модуля в корпусе EconoPACK+

Рис. 3.4.8. Монтаж модуля в корпусе PrimePACK

представляют собой крупногабаритные конструкции с мощными выводами, обладающими, на первый взгляд, значительной механической прочностью. Именно поэтому некоторые конструкторы пытаются использовать эти мнимые «монолиты» в качестве опорных точек крепления, например, конденсаторных блоков, мощных шин питания, трансформаторов и дросселей. Запомните: выводы силовых модулей выполнены мощными недлятого, чтобы к ним «навешивали» конструктивные массы, а исключительно для обеспечения нагрузочных электрических режимов. Поэтому конструктору необходимо здесь обеспечить только электрический контакт, а меры по креплению сопрягаемых узлом следует принимать вне модуля.

Величина механических усилий, прикладываемых к выводам модулей, обычно нормируется в технической документации. На рис. 3.4.9 показаны типовые значения усилий для модуля в корпусе PrimePACK — на растяжение, сжатие, кручение, а на рис. 3.4.10 — те же данные для модуля в корпусе типа SKiM.

Обеспечение нормальных механических усилий в данном случае лежит целиком на конструкторе, разрабатывающим статический преобразователь, поэтому более или менее удачные решения зависят только от

Рис. 3.4.9. Нормирование механических усилий для модуля в корпусе

PrimePACK

его квалификации, опыта, технических знаний. Большую помощь в поиске типовых решений может оказать и документация, предоставляемая фирмами-производителями. Например, нарис. 3.4.11 показанотиповое техническое решение для выходных контактов модуля в корпусе EconoDUAL-3. Механическое напряжение, создаваемое проводом большогосечения, снимается меднымтоковедущимуголком,аосновноеусилие здесь испытывает изолятор, прикрепленный к радиатору.

Другое решение — создание токоведущей консоли, как показано на рис. 3.4.12.

В заключение раздела мы поговорим о самом неприятном — о последствиях выхода из строя силовых полупроводниковых приборов. Не секрет, что даже отлично спроектированные и изготовленные статиче

Рис. 3.4.11. Вариант снятия механических усилий с выводов модуля

ские преобразователи выходят из строя на этапе эксплуатации: из-за нарушения режимов работы, различных нештатных ситуаций типа попадания влаги, повреждения защитных оболочек, неквалифицированных мероприятий по их обслуживанию. Как это не покажется странным, но разработчик преобразователя должен принять меры к минимизации последствий отказовдаже в случае выхода из строя схем защиты.

Опыт анализа отказов, проведенных производителями силовой элементной базы, показывает, что в случае пробоя силовых ключевых элементов ток короткого замыкания повреждает всю внутримодульную «разводку», разрушается алюминиевая металлизация кристаллов, выгорает проволока, с помощью которой кристаллы подключаются к внешним выводам. Как правило, внутреннее пространство модулей заполняется желеобразным защитным компаундом, и возникающая электрическая дуга сжигает как сам компаунд, так и корпусные элементы. Образующиеся продукты горения выбрасываются наружу под высоким давлением (поскольку корпус силового прибора загерметизирован), зачастую разламывая корпус модуля. В результате могут быть повреждены другие близкостоящие компоненты (порой — весьма дорогостоящие), и при ремонте их также придется заменить. Вот поэтому разработчику следует оценить вариант возможного выброса продуктов горения и не размещать в этой зоне (насколько возможно) какие-либо электронные элементы.

Неплохим, но малоиспользуемым методом локализации последствий выхода из строя силовых модулей является включение между блоком конденсаторов и ключами инвертора никоиндуктивных предохранителей типа fuse-IGBT, как показано на рис. 3.4.13. Конструкция

Рис. 3.4.14. Внутреннее устройство fuse-IGBT

fuse-IGBT показана на рис. 3.4.14. Предохранитель состоит из нескольких параллельно соединенных шин для снижения паразитной индуктивности. Сверху на него надет защитный кожух, исключающий выброс расплавленного металла наружу. Применять такие предохранители рекомендуется на частотах преобразования не более 5…6 кГц.

Источник: Семенов Б. Ю. Силовая электроника: профессиональные решения. — М.: СОЛОН-ПРЕСС, 2011. — 416 c.: ил.

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты