本質(zhì)安全電源電路理論綜述 2012-04-18用于大功率工業(yè)應(yīng)用的IPM——最大電流可達(dá)3600 A

1 前言

近年來(lái)，業(yè)界對(duì)于高可靠、結(jié)構(gòu)緊湊、功能強(qiáng)大且物美價(jià)廉的功率模塊的呼聲變得越來(lái)越響亮。諸如風(fēng)力和太陽(yáng)能電站、無(wú)軌電車(chē)、有軌電車(chē)、地鐵以及其他大功率工業(yè)驅(qū)動(dòng)器需要具有最大可靠性的功率模塊。隨著SKiiP?4 IPM的推出，賽米控對(duì)這一呼吁做出了響應(yīng)。賽米控已建立的系統(tǒng)組件良好匹配的概念也是該解決方案所具有的特點(diǎn)：散熱器、電力電子器件、柵極驅(qū)動(dòng)器和保護(hù)機(jī)制。SKiiP?4是該領(lǐng)域一貫發(fā)展和改進(jìn)的結(jié)果，結(jié)合了多年的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和最先進(jìn)封裝技術(shù)的使用，以及可靠的數(shù)字信號(hào)傳輸技術(shù)。

新的IPM針對(duì)額定電流為3600A、最高Udc為1,700V的應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化。此外，它是第一款具有在一個(gè)散熱器上并聯(lián)有6個(gè)半橋特點(diǎn)的模塊。因此，載流能力提高了50%，從而可以設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)更為緊湊、功能更為強(qiáng)大的解決方案，如用于開(kāi)關(guān)柜中。因而該新模塊可在不降低可靠性的情況下，滿(mǎn)足不斷增長(zhǎng)的更高功率密度設(shè)計(jì)的需求。在這方面，熱循環(huán)能力和負(fù)載循環(huán)能力是關(guān)鍵。在牽引領(lǐng)域，例如，電車(chē)在夜間溫度降至零度以下，而在啟動(dòng)時(shí)溫度可高達(dá)100℃。此處所采用的最佳裝配和連接技術(shù)，不再需要底板，因而保證了這種能力，即使在極端惡劣的外部環(huán)境條件下。通過(guò)改用燒結(jié)技術(shù)將功率部分的最終焊層去除掉，實(shí)現(xiàn)了最大的負(fù)載循環(huán)能力。

得益于IGBT4和CAL4技術(shù)，SKiiP?4 IPM提供大功率密度，使其成為一種強(qiáng)大且緊湊的模塊。事實(shí)上，它是目前市場(chǎng)上最強(qiáng)大的IPM。

2 功率部分

新的IPM系列以無(wú)底板SKiiP?技術(shù)為特色，芯片和過(guò)去一樣，是通過(guò)機(jī)械壓力壓置到陶瓷基板和散熱器上。無(wú)焊接壓力系統(tǒng)和集成層壓電源軌確保均衡的電流分布。每個(gè)IGBT和二極管芯片分別連接到主端子。這樣可使內(nèi)部負(fù)載電阻和損耗保持最低。新的電源軌系統(tǒng)在功率模塊中同時(shí)履行幾個(gè)職能。一方面，它將DCB（直接銅鍵合）壓在散熱器上，由此在整個(gè)DCB表面上分布了大量的接觸，確保了與散熱器的均勻接觸。另一方面，這些觸點(diǎn)直接作為電流媒介。層狀結(jié)構(gòu)使得觸點(diǎn)和硅片之間連接的電感和電阻小。這在并聯(lián)的IGBT之間可提供良好的動(dòng)態(tài)電流分布。

這種壓力系統(tǒng)在模塊內(nèi)被動(dòng)熱聚集方面所提供的優(yōu)勢(shì)是不言而喻的。事實(shí)上，與傳統(tǒng)的帶基板功率模塊相比，此設(shè)計(jì)的熱循環(huán)能力增強(qiáng)5倍。導(dǎo)致這一結(jié)果的原因是功率模塊包含不同的材料，如銅、陶瓷（如氧化鋁）和硅，每種材料的熱膨脹系數(shù)不同。在被動(dòng)溫度變化的情況下，不同的材料內(nèi)均有不同程度的膨脹。這會(huì)在諸如連接陶瓷基板和底板的焊接層上產(chǎn)生疲勞現(xiàn)象。其結(jié)果是熱阻大大增加，最終導(dǎo)致模塊故障。

過(guò)去，焊料是將半導(dǎo)體芯片附著和互連到基板的首選材料。然而，焊錫合金因其熔點(diǎn)只有220℃，在實(shí)現(xiàn)更高芯片工作溫度方面有局限。在SKiiP?4模塊中，硅芯片和DCB基板之間的焊接層完全被燒結(jié)層所取代。有了這一連接技術(shù)，芯片首次被放置在銀涂層上，并在其上施加壓力，以在DCB和芯片之間建立一個(gè)永久的連接。這一薄銀層的的熱阻比焊接連接小且熔點(diǎn)較高，達(dá)960℃，這就是為什么可以避免過(guò)早材料疲勞的原因。銀連接是堅(jiān)固的，熔化溫度比焊接連接高6倍（圖2）。與采用焊接芯片的模塊相比，半橋具有更高的負(fù)載循環(huán)能力。

優(yōu)化組裝和連接技術(shù)還需要正確選擇IGBT和二極管。為了能夠提供最高結(jié)溫Tj.max=175℃，賽米控的SKiiP?4模塊在1200V和1700V兩個(gè)模塊版本中使用了英飛凌的IGBT4技術(shù)。所用的二極管是賽米控開(kāi)發(fā)的CAL4續(xù)流二極管，同樣允許175°C的最高結(jié)溫。

3 柵極驅(qū)動(dòng)器概念

如果沒(méi)有數(shù)字技術(shù)，今天的世界是無(wú)法想象的。在電力電子系統(tǒng)中，數(shù)字技術(shù)也被證明越來(lái)越受歡迎，并在越來(lái)越多的應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)用武之地。到目前為止，信號(hào)通過(guò)邊沿觸發(fā)信號(hào)傳輸方式來(lái)傳輸，即信號(hào)通過(guò)一個(gè)串聯(lián)諧振電路發(fā)送至二次側(cè)，信號(hào)由一個(gè)邊沿存儲(chǔ)器檢測(cè)。與此相反，在數(shù)字化傳輸中，采用一個(gè)由0和1組成的永久性數(shù)據(jù)流。從電子角度來(lái)看，這意味著信號(hào)是清晰的。與模擬技術(shù)不同，數(shù)字化傳輸實(shí)現(xiàn)了高度的信號(hào)完整性。溫度依賴(lài)性、參數(shù)的波動(dòng)或電路缺乏長(zhǎng)期穩(wěn)定性，所有這些模擬系統(tǒng)的典型特征都可以排除。對(duì)于IGBT控制來(lái)說(shuō)，數(shù)字傳輸技術(shù)的進(jìn)一步優(yōu)勢(shì)是：無(wú)干擾、與溫度無(wú)關(guān)以及對(duì)任何類(lèi)型信號(hào)的強(qiáng)大傳輸能力，包括緩慢的傳感器信號(hào)。

集成的柵極驅(qū)動(dòng)器是新IPM系列的另一個(gè)關(guān)鍵因素所在。PCB板接收控制器整定的輸入信號(hào)并通過(guò)完全隔離傳輸方式將其傳送至高壓側(cè)，在這種情況下控制IGBT。信號(hào)以差分形式傳輸，這意味著信號(hào)進(jìn)行了比較，并從一個(gè)當(dāng)中減去另一個(gè)，得到的結(jié)果是不同的信號(hào)。通常情況下，兩個(gè)脈沖變壓器的輸出可能會(huì)含有相同的干擾信號(hào)。通過(guò)將兩個(gè)不同的輸出電壓相減，可以消除干擾信號(hào)。

脈沖由內(nèi)部數(shù)字邏輯（FPGA）產(chǎn)生，有著確定的長(zhǎng)度和形狀，并被差分地評(píng)估。原邊的一個(gè)強(qiáng)大的橋式電路產(chǎn)生電壓信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)由變壓器以電隔離信號(hào)傳輸方式傳送至副邊。在副邊，信號(hào)由一個(gè)差分比較器接收，并傳遞至副邊的FPGA用于進(jìn)一步的信號(hào)處理。

柵極驅(qū)動(dòng)器的主要功能是將多個(gè)開(kāi)關(guān)信號(hào)轉(zhuǎn)換成一個(gè)強(qiáng)大的開(kāi)關(guān)信號(hào)。在短路、其他過(guò)載以及正常運(yùn)行條件下，IGBT必須被安全地開(kāi)關(guān)。因此，為實(shí)現(xiàn)最優(yōu)開(kāi)關(guān)而受控的IGBT開(kāi)啟和關(guān)閉，以及減少開(kāi)關(guān)損耗是至關(guān)重要的

每個(gè)SKiiP?4 IPM有兩個(gè)獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)器板。驅(qū)動(dòng)器板包括一個(gè)驅(qū)動(dòng)器核和一個(gè)觸點(diǎn)板。采用兩個(gè)獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)器板確保了最佳的熱分布和變異性（圖6）。內(nèi)部保護(hù)功能，如欠壓監(jiān)控（原邊和副邊）、短脈沖抑制和短路監(jiān)測(cè)，以及其他模擬信號(hào)的監(jiān)測(cè)和輸出，如電流、溫度甚至直流環(huán)節(jié)電壓。因此，該系統(tǒng)既能保護(hù)自己，而且還在同一時(shí)間向用戶(hù)傳遞重要的應(yīng)用參數(shù)。此外，也提供了一條具有CAN-Open特性的診斷通道，用于確保最優(yōu)評(píng)估。

4 用于更高可靠性的可選老化測(cè)試

為了能夠?yàn)榭蛻?hù)提供具有最高可靠性的IPM，除了每個(gè)系統(tǒng)在離開(kāi)生產(chǎn)地之前必須經(jīng)過(guò)的標(biāo)準(zhǔn)功能測(cè)試之外，還提供一個(gè)可選的老化測(cè)試。該測(cè)試會(huì)持續(xù)60min到90min，在逆變器最糟的真實(shí)條件下測(cè)試基本功能和應(yīng)力。測(cè)試的目的是，例如，檢測(cè)每個(gè)獨(dú)立IGBT單元統(tǒng)計(jì)意義上的過(guò)早故障并將這些從模塊中去除。2008年，售出的SKiiP?3模塊中約有80%進(jìn)行了這一測(cè)試?？蛻?hù)可能會(huì)選擇在1象限或4象限間運(yùn)行，此項(xiàng)測(cè)試適合風(fēng)冷或水冷系統(tǒng)。

5 結(jié)論

即使在極端應(yīng)用條件下，SKiiP?4電力電子模塊也滿(mǎn)足最高的一體化，可靠性和電流密度的要求。這是因?yàn)闊o(wú)焊接壓接技術(shù)被用于功率部分，再加上柵極驅(qū)動(dòng)器采用了可靠的數(shù)字信號(hào)傳輸。SKiiP? IPM主要用在如下行業(yè)領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)級(jí)大功率逆變器中：風(fēng)能和太陽(yáng)能、牽引（無(wú)軌電車(chē)、有軌電車(chē)和地鐵）、電梯以及工業(yè)驅(qū)動(dòng)器。這些應(yīng)用實(shí)例都是要求功率模塊具有最高可靠性的明顯例子。