FRD100CA120 - Modül / Elektronik Bileşen / Yarım iletken FRD100CA120 FRD1OOCA12O

Sanrex FRD100CA120 | Hızlı Toparlanma Diyot Güç Modülü — 1200V Vrrm, 100A Ifa, 1.80V İleri Düşüş, 16600A²s I²t, DCB İzoleli Taban Plakası, 2500V İzolasyon

Genel Bakış

Sanrex FRD100CA120, 1200V / 100A hızlı toparlanma diyot güç modülüdür — Sanrex'in endüstriyel güç elektroniği için yerleşik yüksek akım diyot modülü tekliflerinden biridir.Güç dönüştürme devrelerinde tüm diyotlar eşit değildir. Standart doğrultucu diyotlar (50/60Hz şebeke doğrultması için tasarlanmıştır), ileri eğimli olduklarında bağlantı noktalarında yük depolarlar ve voltaj tersine döndüğünde ters akım olarak serbest bırakırlar — bu olguya ters toparlanma denir. Şebeke frekansında yavaş doğrultma için, bu ters toparlanma akımı döngü süresine göre kısadır ve pratik olarak çok az önemi vardır. 

Uygulanan voltajın mikrosaniyelerde tersine döndüğü yüksek frekanslı anahtarlama devreleri için, yavaş toparlanma diyotunun ters akım darbesi ileri akım kadar büyük olabilir ve anahtar aracılığıyla besleme rayını kısa devre yapacak kadar uzun sürebilir, bu da yıkıcı akım sivri uçları oluşturur ve önemli miktarda güç tüketir.

Hızlı toparlanma diyotları, depolanan yükü azaltmak ve ters toparlanma sürecini hızlandırmak için farklı yarı iletken yapılarla — optimize edilmiş bağlantı noktası doping profilleri, dar taban genişlikleri ve kontrollü ömürler — üretilir.

Sonuç, birden çok mikrosaniye yerine mikrosaniyenin kesirinde ters yönde iletmeyi durduran bir diyottur.

FRD100CA120'nin 1200V engelleme voltajı, 3 fazlı 400VAC beslemeli sürücülerin standart DC bağlantı hattı voltajını (yaklaşık 560VDC doğrultulmuş hat artı düşürme payı ile) kapsar ve 100A akım derecesi, onu orta güçlü değişken frekanslı sürücü serbest tekerlek ve doğrultucu uygulamaları alanına yerleştirir.

Sanrex (bir Shindengen şirketi), 1970'lerden beri endüstriyel otomasyon için güç yarı iletken modülleri üretmektedir ve FRD serisi diyot modülleri, servo sürücü ve invertör bakım topluluğunda güvenilir bileşenler ve öngörülebilir elektriksel özellikler olarak tanınmaktadır.

FRD100CA120, Semikron, Infineon, Powerex ve diğer büyük modül üreticileri tarafından kullanılan standart uluslararası paket ayak izlerine uyar — orijinal modül tipi mevcut olmadığında sistem bakımı için pratik bir avantajdır.

Anahtar Özellikler

Parametre

Değer

3 fazlı 400VAC sistemde, doğrultulmuş DC hat voltajı yaklaşık 565VDC'dir. Standart güvenlik düşürmesi ile (cihaz voltaj derecesi normal çalışma sırasında uygulanan engelleme voltajının en az 1.5–2 katı olmalı ve geçici durumlar için ek pay olmalıdır), 1200V, 400–480VAC sistemler için uygun voltaj sınıfıdır. 

600V'luk bir cihaz, yük anahtarlama, motor toprak arızaları ve hat pertürbasyonlarından kaynaklanan geçici aşırı voltajlar için yetersiz paya sahip olacaktır. 1700V'luk bir cihaz daha fazla pay sağlar ancak daha yüksek maliyetle ve tipik olarak biraz daha yüksek ileri voltajla.

100A Ifa derecesi — Tc = 78°C kasa sıcaklığında belirtilmiştir — modülün bağlantı noktası sıcaklığı sınırını aşmadan sürekli olarak taşıdığı ileri akımı tanımlar. Kasa sıcaklığı koşulu kritiktir: bir diyot modülünün akım kapasitesi, ısısının ne kadar iyi giderildiğine tamamen bağlıdır.

Tc = 78°C'de (yeterli termal yönetim gerektiren bir kasa sıcaklığı — soğutucu, termal arayüz malzemesi ve yeterli hava veya sıvı soğutma), diyot sürekli olarak 100A akım iletir.

Yetersiz soğutma nedeniyle kasa sıcaklığı 78°C'nin üzerine çıkarsa, modülün düşürme eğrisine göre anma akımı düşürülmelidir.

2000A'lık Ifsm, modülün kısa süreli bir arıza akımına — örneğin, bir sürücü invertöründeki arızalı bir anahtar aracılığıyla büyük bir DC bağlantı kapasitör bankasının deşarjına — dayanma yeteneğini tanımlar. 16.600A²s'lik I²t, diyotun yıkım olmadan dayanabileceği enerji emme sınırıdır — aşırı akım koruması için uygun sigortayı seçmek için kullanılır.

DCB Teknolojisi — Modülü Güvenilir Kılan Nedir

DCB (Doğrudan Bakır Kaplı) alt katman, modülün güvenilirliğinin temelini oluşturur. Bir güç yarı iletken modülünde, silikon çip iletim sırasında ısı üretir ve bu ısı, alt katmandan taban plakasına ve oradan soğutucuya akmalıdır.

Bu yoldaki herhangi bir termal direnç, belirli bir güç dağılımı için bağlantı noktası sıcaklığını artırır.

DCB alt katman, yüksek sıcaklıkta bir difüzyon işlemi kullanarak bakır katmanları doğrudan bir seramik yalıtıcıya (tipik olarak alümina Al₂O₃ veya alüminyum nitrür AlN) bağlar, bakır ve seramik arasında metalurjik bir bağ oluşturur — lehim değil, yapıştırıcı değil.

Bu doğrudan bağ, eski lehimli veya epoksi kaplı seramik alt katmanlardan daha düşük termal dirence ve termal döngü yorgunluğuna karşı daha iyi dirence sahiptir.

Modül yıllarca hizmet boyunca birçok çalışma döngüsü boyunca ısınıp soğudukça, DCB alt katman termal bağlantısını korurken, lehimli yapılar termal direnci artıran ve nihayetinde erken arızaya neden olan boşluklar ve delaminasyonlar geliştirebilir.

DCB alt katman ayrıca, yarı iletken cihazlar (DC hat potansiyelinde çalışan) ile taban plakası (tipik olarak sistemde toprak potansiyelinde olan soğutucuya monte edilen) arasında 2500V izolasyon sağlar.

Bu izolasyon, modülün çoğu kurulumda ek bir yalıtım pedi olmadan doğrudan metalik bir soğutucuya monte edilmesine olanak tanır.

Motor Sürücü Sistemlerinde Hızlı Toparlanma Diyot Uygulamaları

FRD100CA120'nin değişken frekanslı sürücü ve servo sürücü güç elektroniğindeki tipik uygulamaları birkaç farklı devre pozisyonunu içerir:

İnvertör köprüsünde serbest tekerlek diyotları:

Üç fazlı PWM invertörde, her IGBT anahtarı bir serbest tekerlek (anti-paralel) diyot ile eşleştirilir. PWM çalışması sırasında IGBT kapandığında, motorun endüktif akımı, bir sonraki anahtarlama olayına kadar serbest tekerlek diyotundan akmaya devam eder.

Bu diyotlar, IGBT tekrar açıldığında ileri iletim durumundan hızlı bir şekilde toparlanmalıdır — toparlanmaları yavaşsa, ters akım toparlanma süresi boyunca IGBT'den akar, anahtarlama kayıplarını ve IGBT üzerindeki stresi artırır. Bu nedenle hızlı toparlanma, invertör serbest tekerlek diyotları için temel bir gereksiliktir.

PFC devrelerinde yükseltme aşaması serbest tekerleği:

Aktif güç faktörü düzeltme devreleri, yükseltme çıkış aşamasında hızlı bir diyotun doğrultulmuş voltajı engellediği ve indüktör akımını ilettiği bir yükseltme dönüştürücü topolojisi kullanır. Diyot, yükseltme dönüştürücünün anahtarlama frekansında — tipik olarak 20–100kHz — anahtarlama yapar, kayıpları ve iletilen EMI'yi en aza indirmek için hızlı toparlanma gerektirir.

Frenleme chopper serbest tekerleği: Frenleme chopper'ı olan sürücü sistemlerinde (DC hat voltajı yükseldiğinde frenleme enerjisini bir dirençte dağıtan bir anahtar), frenleme chopper anahtarının karşısına bir serbest tekerlek diyotu bağlanır, böylece chopper'ın kapalı olduğu süre boyunca frenleme direncinin indüktör akımının yeniden dolaşımına izin verir.

SSSS1: Hızlı toparlanma diyotu ile ultra hızlı diyot arasındaki fark nedir ve FRD100CA120 hangi kategoriye girer?

Farklılık öncelikle ters toparlanma süresindedir (trr) — diyotun akımının tersine döndüğü andan diyotun tamamen engellediği ana kadar geçen süredir. Hızlı toparlanma diyotları tipik olarak 100–500 nanosaniye aralığında trr değerlerine sahipken, ultra hızlı diyotlar 100ns'nin altında trr elde eder.

FRD100CA120'nin kesin trr'si Sanrex veri sayfasında belirtilmiştir — FRD serisi tanımı hızlı toparlanmayı gösterir. Yaklaşık 20kHz'e kadar olan anahtarlama frekansları için (endüstriyel sürücü PWM'de yaygındır), hızlı toparlanma diyotları genellikle yeterlidir.

Yüksek performanslı dönüştürücülerde daha yüksek frekanslar (50kHz üzeri) için, anahtarlama kayıplarını daha da azaltmak üzere ultra hızlı veya SiC Schottky diyotları tercih edilebilir.

S2: Ifsm 2000A'dır. Bu diyot koruma olmadan bir DC hat kısa devresine dayanabilir mi?

Hayır. Ifsm (Tekrarlanmayan Tepe İleri Dalgalanma Akımı), diyotun tek, kısa süreli bir akım darbesine — tipik olarak belirli bir süre (genellikle IEC standartlarına göre 8.3ms veya 10ms) yarım döngü sinüs dalgası darbesi için tanımlanan — dayanma yeteneğini temsil eder.

Bir sürücü sistemindeki bir DC hat kısa devresi, 2000A'yı aşan sürekli arıza akımları sağlayabilir ve I²t değeri (16.600A²s), diyotun yıkımdan önce emdiği enerji sınırını tanımlar. 

Yarı iletken koruma sistemi — yukarı akım sigortaları, IGBT kapı sürücüsü doygunluksuzluk algılaması veya akım sınırlayıcı reaktörler — arıza akımı diyottan geçen enerjinin I²t derecesini aşmadan önce arızayı gidermelidir.

Diyot koruması için sigorta seçimi, sigortanın I²t geçiş değerini diyotun derecesinden daha düşük seçmek için I²t değerini kullanır.

S3: FRD100CA120, Semikron, Infineon veya Powerex gibi diğer üreticilerin benzer modüllerine doğrudan bir eşdeğer midir?

FRD100CA120'nin elektriksel derecelendirmeleri (1200V, 100A, 1.80V ileri voltajı) ve 34mm taban genişliğine sahip standart paket ayak izi, Semikron (örneğin SKE100/16), Infineon (DD100N12K) ve Powerex'in aynı derecelendirme sınıfındaki modüllerinin kullandığı uluslararası standart paketle uyumludur.

Bu standart paketteki mekanik montaj boyutları ve terminal konumları üreticiler arasında genellikle tutarlıdır, bu da çapraz değiştirmeyi kolaylaştırır.

Ancak, elektriksel parametreler — özellikle ters toparlanma süresi (trr), toparlanma yükü (Qrr) ve termal direnç bağlantı-kasa (Rth(j-c)) — belirli uygulama devresindeki uyumluluğu doğrulamak için orijinal spesifikasyon ile değiştirilen modül arasında karşılaştırılmalıdır. 

Aynı derecelendirme sınıfındaki farklı üreticilerin modülleri farklı dinamik özelliklere sahip olabilir.

S4: FRD100CA120 modülü, anma akım kapasitesini elde etmek için nasıl monte edilmelidir?

Tc = 78°C'deki 100A derecesi, modülün taban plakası sıcaklığının tam yük çalışma koşulları altında 78°C'nin altında veya eşit tutulmasını gerektirir.

Bunu başarmak için şunlar gerekir: temas termal direncini en aza indirmek için modül taban plakası ile soğutucu arasında termal arayüz malzemesi (termal gres veya önceden kesilmiş termal ped); toplam güç dağılımı için yeterli soğutucu termal direnci (100A ileri akımda Vfm = 1.80V ile, iletim kaybı yaklaşık 180W'dır); ve soğutucu kanatları üzerinde yeterli hava akışı.

Modülün seramik alt katmanına zarar vermeden tekdüze termal temas basıncı sağlamak için montaj vidaları Sanrex'in veri sayfasında belirtilen torka sıkılmalıdır.

S5: Veri sayfası 16.600A²s'lik I²t belirtiyor. Bu değer pratikte nasıl kullanılır?

I²t (zamanın karesi alınmış akımın integrali), aşırı akım olayı sırasında diyotun silikon bağlantı noktasının emdiği termal enerjidir. Sigortalar, maksimum geçiş I²t değeri ile derecelendirilir — temizleme süreleri boyunca geçirdikleri enerji.

Diyotun yukarı akım sigortası tarafından temizlenen bir arızadan kurtulması için, sigortanın I²t geçiş değeri, diyotun I²t derecesi olan 16.600A²s'den az olmalıdır.

Üretici kataloglarındaki sigorta seçimi tabloları, farklı sigorta derecelendirmeleri ve arıza akımı seviyeleri için I²t geçiş değerlerini listeler, bu da koruma mühendisinin seçilen sigortanın diyotu koruduğunu doğrulamasına olanak tanır.

Temizleme sırasında diyottan geçen enerji, devre açılmadan önce onu yok edecek kadar fazla olan 16.600A²s'den daha büyük bir I²t değerine sahip bir sigorta, diyotu koruyacaktır.