適用于高達(dá)15kW驅(qū)動(dòng)的智能功率模塊

作者：Musamettin Zurnaci賽米控應(yīng)用經(jīng)理

    效率正成為變頻器設(shè)計(jì)中的一個(gè)日益重要的因素——從器件的選擇，到變頻器本身，一直到制造過(guò)程。輸出功率高達(dá)15kW的智能模塊具有創(chuàng)新性的裝配技術(shù)并集成了SOI驅(qū)動(dòng)器可以大大縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)時(shí)間。

    今天，速度是競(jìng)爭(zhēng)世界的一個(gè)非常重要因素，雖然在現(xiàn)實(shí)中，一個(gè)新的變頻器的上市時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)。這就是說(shuō)，開(kāi)發(fā)工程師可以盡力將一個(gè)具有某些特定功能的新產(chǎn)品更快地推向市場(chǎng)：然而，為了這樣做，他們必須冒險(xiǎn)探索新的途徑，避免使用常規(guī)的方法。通常情況下，變頻器的個(gè)別級(jí)，如輸入整流器、驅(qū)動(dòng)電路或功率級(jí)，是由分立元件構(gòu)成的。為此，必須進(jìn)行非常復(fù)雜的計(jì)算和使用可能的元件進(jìn)行模擬，以使電源和信號(hào)路徑部分的各個(gè)元件相互匹配。功率IGBT驅(qū)動(dòng)電路的開(kāi)發(fā)是特別具有挑戰(zhàn)性。該驅(qū)動(dòng)電路必須確保變頻器的功率晶體管得到足夠的能量供應(yīng)以及重要的系統(tǒng)參數(shù)（如負(fù)載電路中的短路）進(jìn)行監(jiān)測(cè)。在開(kāi)發(fā)和制造變頻器過(guò)程中使用低集成度的器件所帶來(lái)的結(jié)果不僅是開(kāi)發(fā)時(shí)間較長(zhǎng)，而且在物流和生產(chǎn)過(guò)程中存在相當(dāng)大的缺點(diǎn)。大量的獨(dú)立器件意味著需要更多的存儲(chǔ)空間，在生產(chǎn)鏈中需要更多的步驟。這會(huì)導(dǎo)致較長(zhǎng)的生產(chǎn)時(shí)間和更高的故障率。系統(tǒng)的整體服務(wù)便利性也受損，因?yàn)樾枰�在生產(chǎn)階段或客戶(hù)應(yīng)用中進(jìn)行的最終修理會(huì)非常麻煩。所有上述的影響導(dǎo)致成本上升，從而使逆變器整體上較昂貴。通過(guò)使用賽米控為中功率應(yīng)用而開(kāi)發(fā)的MiniSKiiP IPM，其最大輸出功率達(dá)15kW，可以大幅度減少使用分立元件所帶來(lái)的缺點(diǎn)并節(jié)省成本。本文介紹MiniSKiiP IPM在機(jī)械、電氣和熱性能方面的特點(diǎn)。

壓接技術(shù)

    MiniSKiiPIPM的主要機(jī)械特點(diǎn)是組裝方便、便于服務(wù)的連接方式。事實(shí)上，功率和控制連接都使用了彈簧壓接技術(shù)。這種類(lèi)型的連接技術(shù)為用戶(hù)提供了一些優(yōu)勢(shì)。用戶(hù)的印制電路板不必安裝通孔技術(shù)（THT）的熱敏感焊接連接，因?yàn)樵谝贿叺慕佑|面就足夠了。整個(gè)電力電子部分由散熱器、MiniSKiiP IPM、用戶(hù)印刷電路板和蓋子（圖1）組成，按照一種夾層的方式放置在頂部并用螺絲擰緊。模塊和用戶(hù)印刷電路板之間的所有電氣連接，以及到散熱器的熱連接只需一個(gè)安裝步驟即可完成。電力電子部分還可以被拆除——在生產(chǎn)中或在客戶(hù)現(xiàn)場(chǎng)因維修目的——與常規(guī)螺絲或焊接連接相比，非常方便。

    連續(xù)工作時(shí)，每個(gè)觸點(diǎn)彈簧的允許最大電流為20A。由于負(fù)載電路中所有的觸點(diǎn)彈簧采用并聯(lián)彈簧，因此每個(gè)負(fù)載電路的最大允許電流增大了。電氣和熱接觸是通過(guò)螺絲實(shí)現(xiàn)的。螺絲將模塊壓在散熱器上，這樣做所帶來(lái)的機(jī)械接觸力高達(dá)100N/mm² 。相比之下，傳統(tǒng)模塊中，用于負(fù)載連接的螺絲所提供的接觸力大約為50N/mm² 。常規(guī)引腳連接器的接觸力是10N/mm² 。因此，彈簧觸點(diǎn)可以提供與螺絲連接一樣好的接觸，即使不能提供更好的接觸。

    傳統(tǒng)功率模塊中，使用了2-3mm厚的銅基板。銅基板和DCB（直接敷銅）熱膨脹系數(shù)的不同導(dǎo)致在制造過(guò)程中完成焊接后以及在高溫下使用模塊的過(guò)程中焊層都會(huì)存在應(yīng)力。這些應(yīng)力導(dǎo)致彎曲，這就是為什么MiniSKiiP IPM模塊中取消了銅基板。在組裝過(guò)程中，DCB是直接安裝到散熱器上。這樣做有兩個(gè)重要的優(yōu)點(diǎn)：從芯片到散熱器的熱路徑變短了，并且模塊的整體重量減輕了，這為移動(dòng)應(yīng)用提供了至關(guān)重要的的優(yōu)勢(shì)。

圖 1：使用中的MiniSKiiP IPM– 得益于壓接技術(shù)，使得安裝簡(jiǎn)便

集成驅(qū)動(dòng)器

MiniSKiiP IPM的核心是所集成的最匹配的HVIC驅(qū)動(dòng)器（高壓集成電路）。對(duì)于用戶(hù)來(lái)說(shuō)，其優(yōu)點(diǎn)是：模塊的使用得以簡(jiǎn)化。與使用外部驅(qū)動(dòng)器不同，這里的在信號(hào)路徑要短得多，從而改善了EMI特性并大大增強(qiáng)了抗寄生效應(yīng)能力（圖2）。

    HVIC驅(qū)動(dòng)器可以驅(qū)動(dòng)7個(gè)IGBT （3個(gè)在高側(cè)、3個(gè)在低側(cè)、1個(gè)在制動(dòng)斬波器），它基于600V SOI技術(shù)。與pn結(jié)絕緣技術(shù)相比，該技術(shù)的漏電流非常小。SOI技術(shù)的進(jìn)一步優(yōu)勢(shì)是為了防止產(chǎn)生閉鎖而對(duì)有源器件進(jìn)行電介質(zhì)隔離，以及高集成度。HVIC驅(qū)動(dòng)器具有集成的故障管理功能，該功能通過(guò)使用外部分流器監(jiān)控電源電壓和負(fù)載電流。如果出現(xiàn)一個(gè)故障，所有開(kāi)關(guān)（ IGBT）被關(guān)斷。此外，HVIC驅(qū)動(dòng)器具有創(chuàng)新的電平轉(zhuǎn)換器概念，有了電平轉(zhuǎn)換器，可以不受驅(qū)動(dòng)器參考電壓變化的影響。當(dāng)切換大負(fù)載電流時(shí)，陡峭的電流上升結(jié)合寄生電感，能在IGBT發(fā)射極電位和驅(qū)動(dòng)器參考電壓之間產(chǎn)生電壓。由于這些電壓具有任意的極性，因此柵極和發(fā)射極之間的電壓根據(jù)極性增大或減小。在傳統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)器電路中，這可能對(duì)開(kāi)關(guān)性能產(chǎn)生不利的影響，或者在最壞的情況下，甚至可以導(dǎo)致系統(tǒng)的損壞。

    集成HVIC驅(qū)動(dòng)器的進(jìn)一步優(yōu)勢(shì)可以從良好的散熱性能看出。例如，對(duì)于尺寸約為4.9mm x 3.1mm的驅(qū)動(dòng)模塊，可實(shí)現(xiàn)約4 K/W的熱阻，HVIC的工作溫度范圍提高到200°C。相比之下，傳統(tǒng)模塊中類(lèi)似大小芯片的熱阻約為 75K/W。熱阻的減小可用來(lái)增加驅(qū)動(dòng)器的輸出功率，從而優(yōu)化IGBT的控制。

圖2：集成了SOI驅(qū)動(dòng)器的600V MiniSKiiP CIB IPM的設(shè)計(jì)

    賽米控MiniSKiiP技術(shù)中的IPM模塊，采用了彈簧壓接，擁有優(yōu)異的電氣和熱性能。開(kāi)發(fā)時(shí)間大大減少，因?yàn)椴辉傩枰獜?fù)雜的驅(qū)動(dòng)器開(kāi)發(fā)。IGBT和HVIC驅(qū)動(dòng)器物理位置上的接近增強(qiáng)了抗電磁干擾的穩(wěn)定性，從而大大提高了可靠性。

全面優(yōu)勢(shì)

電力電子技術(shù)新的地平線(xiàn)

    經(jīng)驗(yàn)表明，焊接在制造過(guò)程和實(shí)際應(yīng)用中都是電路中的一個(gè)薄弱點(diǎn)。在電力電子領(lǐng)域，這一問(wèn)題更加嚴(yán)重。大電流以及由此產(chǎn)生的高溫為變頻器的開(kāi)發(fā)商帶來(lái)很大的挑戰(zhàn)。有了采用壓接技術(shù)的功率模塊，由焊接所造成的不利因素不再是一個(gè)問(wèn)題：生產(chǎn)過(guò)程可以被簡(jiǎn)化、因而降低生產(chǎn)成本、發(fā)生故障時(shí)的服務(wù)便利性也得到了改善。