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，業(yè)界對于高可靠、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越響亮。諸如風(fēng)力和太陽能電站、無軌電車、有軌電車、地鐵以及其他大功率工業(yè)驅(qū)動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)字信號傳輸技術(shù)。

新的IPM針對額定電流為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散熱器上并聯(lián)有6個半橋特點(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，如用于開關(guān)柜中。因而該新模塊可在不降低可靠性的情況下，滿足不斷增長的更高功率密度設(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，電車在夜間溫度降至零度以下，而在啟動時溫度可高達(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，它是目前市場上最強(qiáng)大的IPM。

2 功率部分

新的IPM系列以無底板SKiiP?技術(shù)為特色，芯片和過去一樣，是通過機(jī)械壓力壓置到陶瓷基板和散熱器上。無焊接壓力系統(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)在功率模塊中同時履行幾個職能。一方面，它將DCB（直接銅鍵合）壓在散熱器上，由此在整個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態(tài)電流分布。

這種壓力系統(tǒng)在模塊內(nèi)被動熱聚集方面所提供的優(yōu)勢是不言而喻的。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)動器概念

如果沒有數(shù)字技術(shù)，今天的世界是無法想象的。在電力電子系統(tǒng)中，數(shù)字技術(shù)也被證明越來越受歡迎，并在越來越多的應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)用武之地。到目前為止，信號通過邊沿觸發(fā)信號傳輸方式來傳輸，即信號通過一個串聯(lián)諧振電路發(fā)送至二次側(cè)，信號由一個邊沿存儲器檢測。與此相反，在數(shù)字化傳輸中，采用一個由0和1組成的永久性數(shù)據(jù)流。從電子角度來看，這意味著信號是清晰的。與模擬技術(shù)不同，數(shù)字化傳輸實(shí)現(xiàn)了高度的信號完整性。溫度依賴性、參數(shù)的波動或電路缺乏長期穩(wěn)定性，所有這些模擬系統(tǒng)的典型特征都可以排除。對于IGBT控制來說，數(shù)字傳輸技術(shù)的進(jìn)一步優(yōu)勢是：無干擾、與溫度無關(guān)以及對任何類型信號的強(qiáng)大傳輸能力，包括緩慢的傳感器信號。

集成的柵極驅(qū)動器是新IPM系列的另一個關(guān)鍵因素所在。PCB板接收控制器整定的輸入信號并通過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。信號以差分形式傳輸，這意味著信號進(jìn)行了比較，并從一個當(dāng)中減去另一個，得到的結(jié)果是不同的信號。通常情況下，兩個脈沖變壓器的輸出可能會含有相同的干擾信號。通過將兩個不同的輸出電壓相減，可以消除干擾信號。

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

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

每個SKiiP?4 IPM有兩個獨(dú)立的驅(qū)動器板。驅(qū)動器板包括一個驅(qū)動器核和一個觸點(diǎn)板。采用兩個獨(dú)立的驅(qū)動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，以及其他模擬信號的監(jiān)測和輸出，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，而且還在同一時間向用戶傳遞重要的應(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)評估。

4 用于更高可靠性的可選老化測試

為了能夠?yàn)榭蛻籼峁┚哂凶罡呖煽啃缘腎PM，除了每個系統(tǒng)在離開生產(chǎn)地之前必須經(jīng)過的標(biāo)準(zhǔn)功能測試之外，還提供一個可選的老化測試。該測試會持續(xù)60min到90min，在逆變器最糟的真實(shí)條件下測試基本功能和應(yīng)力。測試的目的是，例如，檢測每個獨(dú)立IGBT單元統(tǒng)計(jì)意義上的過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)行了這一測試?？蛻艨赡軙x擇在1象限或4象限間運(yùn)行，此項(xiàng)測試適合風(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電力電子模塊也滿足最高的一體化，可靠性和電流密度的要求。這是因?yàn)闊o焊接壓接技術(shù)被用于功率部分，再加上柵極驅(qū)動器采用了可靠的數(shù)字信號傳輸。SKiiP? IPM主要用在如下行業(yè)領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)級大功率逆變器中：風(fēng)能和太陽能、牽引（無軌電車、有軌電車和地鐵）、電梯以及工業(yè)驅(qū)動器。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。