2. Вступ
3. Інтегральні мікросхеми, що входять в комплект
4. Діодні мости і діоди, що входять в комплект
5. Конструктивне виконання комплекту

2008

У статті описаний сучасний комплект напівпровідникових приладів, що складається з інтегральних мікросхем, діодів і діодних мостів і призначений для блоків живлення радіоелектронної апаратури з розподіленою структурою. Функціональний склад комплекту і робочі характеристики приладів дають можливість широкого вибору для реалізації різних сучасних топологій перетворювачів (в тому числі резонансних з фазовим ШІМ, з синхронним випрямленням) і дозволяють задовольнити зростаючі потреби розробників сучасних блоків живлення з високими значеннями ККД (92% і вище) і питомої потужності (вище 70 кВт / дм3).

Розмір кристала входять в комплект однофазних і трифазних діодних випрямних мостів в малогабаритних керамічних корпусах, а також дискретних випрямних діодів в кремнієвих корпусах дозволить додатково заощадити місце в обсязі первинних AC / DC-перетворювачів.

Здвоєний діод Шотткі зі зменшеним прямим падінням і потужний швидко відновлюється діод (БВД), також в конструктивному виконанні для поверхневого монтажу, знайдуть широке застосування в сучасних імпульсних перетворювачах.

Вступ

Зрослі за останні роки вимоги до джерел вторинного електроживлення (ІВЕП) змушують трактувати поняття «ефективність джерела живлення» не просто як коефіцієнт корисної дії (ККД), а в більш широкому сенсі - як сукупність ККД, масо-габаритних показників, експлуатаційних і електричних параметрів. Таке трактування диктує необхідність розробки не стільки нових схемотехнічних рішень конкретних джерел вторинного електроживлення, скільки нових принципів в організації електроживлення системи (комплексу) в цілому. Найбільш перспективним і «життєвим» підходом є організація системи розподіленого електроживлення, коли в апаратурі комплексу передбачається не один загальний джерело живлення, а кілька, кожен з яких оптимізований під конкретну навантаження і наближений до неї. З урахуванням сучасного рівня мініатюризації елементної бази такі розподілені блоки живлення можуть бути виконані (за умови єдиного конструктивного виконання) на тій же платі, що і пристрій, що вони відчувають. При цьому стає можливим найбільш оптимально розподілити електричну енергію по складовим частинам апаратури з урахуванням найбільшої кількості факторів, що впливають на ефективність в зазначеному вище сенсі.

Традиційно найбільш поширеними первинними джерелами електроживлення є однофазні або трифазні мережі змінного струму частотою 50, 60 або 400 Гц. За принципом трансформації напруги все ІВЕП можна розділити на два класи: перший - з безпосередньою трансформацією напруги на низькій частоті мережі і другий - з проміжним перетворенням попередньо випрямленої напруги в змінну з більш високою частотою і з подальшою трансформацією напруги на частоті перетворення. Перший клас ІВЕП володіє меншою ефективністю через великих габаритів і маси низькочастотних трансформаторів, вихідних фільтрів. Такі джерела в сучасних і перспективних комплексах практично не використовуються. Другий клас ІВЕП дозволяє зменшити габарити і масу джерела за рахунок зниження обсягу трансформаторів і вихідних LC-фільтрів і як не можна краще підходить для розподіленого електроживлення. Сучасні ІВЕП цього класу, як правило, реалізуються на базі складних мікросхем контролерів, в які зібрані всі необхідні для реалізації тієї чи іншої топології перетворення вузли і блоки. Такі мікросхеми, крім основного завдання, здійснюють ще й масу допоміжних функцій: всіляку захист, управління включенням / виключенням, індикацію стану силових елементів і навантаження.

Удосконалення мікросхем контролерів для ІВЕП йде по ряду напрямків:

• повніше врахування специфічних особливостей тієї чи іншої топології перетворення;
• перехід з біполярної на БіКМОП-технологію зі зниженням споживаного струму;
• підвищення максимальної робочої частоти;
• впровадження синхронного випрямлення;
• розвиток контролерів для полумостового, мостових і багатофазних інверторів;
• введення додаткових споживчих функцій, спрямованих на підвищення економічності і надійності.

Головним стимулом для здійснення нових розробок є вимоги, що пред'являються до загально апаратурі і апаратурі спеціального призначення:

• розширення робочого температурного діапазону;
• підвищення надійності навіть в умовах перевантажень;
• підвищення стійкості до впливів зовнішніх факторів;
• підвищення ККД джерел живлення до 92% і більше;
• збільшення питомої потужності до 70 кВт / дм3 і більше;
• зниження напруги харчування сучасної елементної бази високого рівня інтеграції і швидкодії до 3,3-1,2 В і перехід в субвольтовий діапазон в найближчому майбутньому;
• поліпшення якості низьких напруг харчування: точності і динамічної стабільності, зниження пульсацій.

Даний комплект напівпровідникової елементної бази ІВЕП включає чотири мікросхеми, чотири діодних випрямних мосту, чотири дискретних випрямних діода, дискретний БВД і здвоєний діод Шотткі.

Інтегральні мікросхеми, що входять в комплект

Інтегральна мікросхема ІС1, виконана по БіКМОП-технології, - це двофазний ШІМ-контролер, оптимізований на діючий струм навантаження 50-100 А. Частота комутації фаз - 1 МГц, зрушення - 180 °; має незалежний контроль і активне вирівнювання струмів фаз. Ця мікросхема в найбільшою мірою підходить для живлення систем зв'язку або радіолокації (вхідна напруга - 36-76 В) завдяки специфіці двухфазной схеми (мінімальний час реакції на імпульсний струм навантаження і мінімальні пульсації вихідної напруги). Типова спрощена схема включення наведена на рис. 1.

Мал. 1. Спрощена схема двухфазного перетворювача на ІС1

Інтегральна мікросхема ИС2, виконана по біполярної технології з діодами Шотткі, являє собою контролер з фазовою модуляцією, оптимізований для застосування в якості схеми управління імпульсними резонансними ІВЕП, що працюють на частотах до 2 МГц. Функціонально мікросхема оснащена вичерпно:

• чотири квазікомплементарних вихідних каскаду на імпульсний струм до 3 А дозволяють безпосередньо (або через розв'язуючи трансформатори) керувати потужними МОП-транзисторами силового моста;
• максимальна частота генерування мікросхеми понад 2 МГц;
• є можливості компенсації нахилу пилки і регулювання величини фазового зсуву від 0 до 180 °;
• величина струму споживання в стані "Виключено" не більше 600 мкА.

Крім того, є:

• широкосмуговий підсилювач сигналу помилки;
• роздільна установка затримок включення для кожної половини моста;
• затримка поширення сигналу через схему не більше 150 мкс;
• функція м'якого запуску;
• синхронізація по зовнішньому сигналу;
• підбудовується на пластині джерело опорного напруги на 5 В;
• захист по струму з функцією повного рестарту при повторюваних перевантаженнях;
• захист від зниженої напруги живлення з гістерезисом, при спрацьовуванні якої все чотири виходи переводяться в стан низького рівня (включені нижні вихідні транзистори).

Управління потужним мостовим каскадом здійснюється за допомогою зсуву по фазі моменту перемикання однієї половини моста щодо іншої. Для підвищення ККД ІВЕП на високих частотах можуть використовуватися резонансні методи з комутацією ключового елемента при нульовій напрузі (ZVS) і / або струмі (ZCS).

Мікросхема може застосовуватися в джерелах електроживлення зі зворотним зв'язком як по напрузі, так і по току, можлива також організація прямого зв'язку по вхідному напрузі. Типова спрощена схема включення наведена на рис. 2.

Мал. 2. Спрощена схема резонансного перетворювача на ИС2

Мікросхема ИС3 являє собою здвоєний драйвер затворів потужних МОПтранзісторов або БТІЗ, включених в конфігурації напівмоста з напругою живлення до 600 В. Типова схема включення мікросхеми наведена на рис. 3. Драйвер нижнього транзистора напівмоста «прив'язаний» до «землі», в той час як драйвер верхнього транзистора «прив'язаний» до виходу напівмоста і отримує харчування від ємності вольтдобавки, що заряджається від шини харчування нижнього драйвера через зовнішній діод в інтервали часу, коли на виході напівмоста низький рівень напруги. Такий підхід до організації харчування верхнього драйвера реалізуємо, якщо напівміст постійно переключається з певною частотою, що найчастіше і має місце в типових перетворювачів. Якщо застосування має на увазі довільне перемикання драйверів, то харчування верхнього драйвера має здійснюватися від окремого «плаваючого» джерела.

Мал. 3. Типова схема включення мікросхеми ИС3

Усередині мікросхеми з метою високовольтної ізоляції її вузлів використана унікальна технологія на основі кремнієвих структур з повною діелектричною ізоляцією (КСДІ). Вхідні логічні каскади і самі драйвери виконані по КМОП-технології, яка забезпечила гарну швидкодію при незначному власному струмі споживання. Для передачі логічних сигналів в верхній драйвер в мікросхемі застосований високовольтний швидкодіючий каскад зсуву рівня на двох високовольтних МОП-транзисторах. Прикінцеві n-канальні транзистори забезпечують пікові струми заряду і розряду затвора ємності близько 4 А. Час включення ton і виключення toff мікросхем ИС3, в залежності від ємності навантаження, становить 25-120 нс і 15-80 нс відповідно. Вихідні струми драйверів ИС3 дозволяють використовувати їх в силових перетворювальних пристроях потужністю до 3-5 кВт, в тому числі з цифровим керуванням, в діапазоні частот до сотень кілогерц. Мікросхема іс4 призначається для організації синхронного випрямлення імпульсів напруги у вторинній обмотці прямоходового перетворювача. Кристал мікросхеми виготовляється по БіКМОП-технології, що дозволять отримати відмінні характеристики.

У стандартній топології прямоходового перетворювача силовий трансформатор застосовується для забезпечення функції гальванічної розв'язки між входом і виходом і зниження вихідної напруги до необхідного рівня. Стандартно швидкодіючі імпульсні діоди використовуються для випрямлення напруги у вторинній обмотці трансформатора. Падіння напруги на цих діодах при протіканні великих струмів навантаження є одним з чинників, що знижують ККД перетворювача в цілому. Значний виграш в ККД дає застосування для цієї мети діодів Шотткі. Сучасні діоди Шотткі мають порівняно низькі прямі падіння напруги на великих токах, але, тим не менш, в типових схемах випрямлячів на них неминуче втрачається до декількох десятків ват потужності. Для підвищення ККД замість діодів Шотткі можуть бути використані потужні n-канальні МОПтранзістори з відповідною схемою управління, яка забезпечує синхронізацію їх включення і виключення з імпульсами в первинному ланцюзі. Застосування транзисторних ключів замість діодів Шотткі дозволяє значно знизити втрати потужності в перетворювачі і тим самим підвищити його ККД. Найбільш значне підвищення ККД при реалізації синхронного випрямлення досягається для перетворювачів з низьким вихідним напругою (1,2-3,3 В).

У синхронному випрямлячі іс4 виконує функції синхронізації і захисту і містить два потужних драйвера затворів зовнішніх n-канальних МОН-транзисторів.

На рис. 4 наведена спрощена схема прямоходового перетворювача з синхронним випрямлячем, виконаним на мікросхемі іс4: ТV1 - силовий трансформатор; VT1 - потужний транзистор, яким керує ШІМ-контролер або схема управління. Імпульсний трансформатор VТ2 забезпечує передачу синхроімпульсів у вторинну ланцюг і управляється сигналом, інверсним по відношенню до сигналу на затворі VT1. VT2 і VT3 - синхронні ключі вторинному ланцюзі, затвори яких підключені до виходів FG і CG іс4. Дросель L і конденсатор C6 утворюють вихідний LCфільтр для зменшення пульсацій напруги на навантаженні. На рис. 4 також зображена ланцюг харчування іс4: елементи VD1 і C5 забезпечують випрямлення і фільтрацію напруги вторинного кола, VT1 і VD2 утворюють параметричний стабілізатор напруги.

Мал. 4. Спрощена схема синхронного випрямляча на іс4

Діодні мости і діоди, що входять в комплект

Як правило, в складній, зі значним енергоспоживанням загально апаратурі і апаратурі спеціального призначення первинними джерелами електроживлення є однофазні або трифазні мережі змінного струму частотою 50, 60 або 400 Гц. Для випрямлення напруги розроблена серія однофазних і трифазних діодних мостів. Серія складається з повної тривимірної матриці типономиналов, що відрізняються по прямому струму (5/30 А), по зворотному напрузі (600/1000 В) і за кількістю діодів в мосту (4 - однофазний міст / 6 - трифазний міст). Мости набираються з чотирьох типів кристалів високовольтних діодів, спеціально створених для роботи в розширеному робочому температурному діапазоні. Крім мостів, ці ж кристали використовуються в дискретних випрямних діодах в кремнієвих корпусах за розміром кристала, забезпечуючи мінімально можливі масо-габаритні параметри при поверхневому монтажі на друковані плати.

Склад випрямної серії і характеристики приладів практично повністю перекривають потреби розробників сучасних ІВЕП і повинні ліквідувати дефіцит, що утворився в приладах такого класу і призначення.

Здвоєний діод Шотткі (2 × 20 А) зі зменшеним прямим падінням (0,5 В на прямому струмі 20 А) знайде широке застосування в імпульсних випрямлячах вторинному ланцюзі перетворювачів. Зворотна напруга діода 40 В забезпечує весь типовий ряд вихідних напруг як однотактний, так і двотактних перетворювачів.

Потужний високовольтний БВД (10 А / 400 В) з часом відновлення зворотного опору tRR 50 нс може бути широко використаний в якості демпферного, в коректорах коефіцієнта потужності і в інших застосуваннях.

Конструктивне виконання комплекту

Мікросхеми комплекту виконані в стандартних малогабаритних металокерамічних корпусах, які забезпечують надійний захист кристалів від впливу зовнішніх факторів, що впливають. Типи використаних корпусів і фотографії наведені в таблиці.

Таблиця. типи корпусів

Діодні мости збираються в двох спеціально розроблених корпусах. На рис. 5 показана конструкція керамічного корпусу для зборки 5-амперних діодних мостів (з розрізом в кришці). Підставою корпусу служить керамічна плата з двосторонньої металізацією і перехідними з'єднаннями на торцях плати. На монтажні майданчики верхнього металізації напаяні і розварені алюмінієвим дротом ∅100 мкм кристали діодів, як показано в розрізі. Кристали діодів і межсоединения захищаються кремнийорганическим компаундом (на малюнку не показаний). Керамічна кришка приклеюється спеціальним клеєм, забезпечуючи необхідну герметичність і захист діодів, внутрішніх з'єднань від впливу зовнішнього середовища. Габарити корпусу з кришкою складають 24 × 15,5 × 4 мм. Розташування висновків для трифазного діодного моста в цьому корпусі показано на рис. 6.

Мал. 5. Конструкція керамічного корпусу для 5-амперних мостів

Мал. 6. Розташування висновків 5-амперних трифазних мостів

На рис. 7 показана конструкція корпусу для збірки 30-амперних діодних мостів. В основу конструкції покладено варіант корпусу для силових модулів з ізольованим підставою. Як і в випадку 5-амперних мостів, використовується тонка керамічна плата з двосторонньої металізацією. На монтажні майданчики верхнього металізації напаяні і розварені алюмінієвим дротом ∅300 мкм кристали діодів. До вивідним монтажним майданчикам на верхній стороні плати припаиваются мідні уголковие висновки. Кристали діодів і дротяні з'єднання захищаються кремнийорганическим компаундом. Нижньою стороною плата припаюється до мідного основи - фланця. До фланця попередньо припаивается сталева бічна рамка для захисту кристалів і внутрішніх з'єднань від механічних впливів. Всі деталі попередньо нікелюється для оберігання від окислення. Після пайки корпус герметизується заливкою спеціальним компаундом з наступним сушінням. Після складання підставу корпусу проходить операцію шліфування для забезпечення необхідної площинності.

Мал. 7. Конструкція і зовнішній вигляд корпусу для 30-амперних мостів

Для кріплення 30-амперних діодних мостів до радіатора в фланці передбачені паз і отвір під гвинти М5. Висновки корпусу допускають підключення токоподводящих проводів пайкою або за допомогою стандартних 6-міліметрових затискних наконечників. Габаритні розміри корпусу - 57,5 ​​× 44,5 × 17,5 мм.

Дискретні випрямні діоди в кремнієвих корпусах за розміром кристала «збираються» без використання традиційних складальних операцій, таких як посадка кристала, розварювання висновків тощо. Все «складальні» процеси виконуються на пластині груповим способом (включаючи маркування) аж до поділу корпусів за допомогою наскрізної різання . Тестування по електропараметрів також виконується на пластині до поділу.

Структура діода в кремнієвих корпусах за розміром кристала показана в схематичному розрізі на рис. 8.

Мал. 8. Схемний розріз діода в кремнієвому
корпусі за розміром кристала:
1 - кришка (Si); 2 - скло; 3 - алюміній (Al);
4 - кремній n +;
5 - високолегований полікремній;
6 - алюміній (Al); 7 - припойні стовпчики;
8 - кремній p +; 9 - кремній n-;
10 - окис кремнію SiO2

Електричні параметри діода:

• Uобр. = 600-1000 В;
• Іпр. = 5 А;
• Іпр. імп. = 60 А;
• Uпр. = 1,2 В. Габаритні розміри:
• довжина - 4 мм;
• ширина - 3 мм;
• висота - 0,5 мм;
• висота стовпчиків - 0,15 мм;
• крок стовпчиків - 1,25 мм.

На рис. 9 приведена фотографія діодів в кремнієвих корпусах за розміром кристала, повернутих припойними стовпчиками вгору (рис. 9а) і кремнієвої кришкою вгору (рис. 9б).

Мал. 9. Мікрофотографія діодів
в кремнієвому корпусі за розміром кристала

Діод Шотткі і БВД виконані в стандартному малогабаритному металлокерамическом корпусі для поверхневого монтажу КТ-94-3, показаному на рис. 10. Для посадки кристалів використовується м'який припой.

Мал. 10. Фотографія корпусу для діода Шотткі і БВ

Завантажити статтю в форматі PDF

повідоміті про помилки