電力電子技術(shù)可以幫助提高能源效率和節(jié)約大量能源，尤其是在中等功率應(yīng)用市場(chǎng)中。得益于其高集成度和簡(jiǎn)單的組裝，本文所介紹的600V智能IGBT功率模塊能夠促進(jìn)電力電子的應(yīng)用。該模塊的特點(diǎn)在于其基于雙極性電平轉(zhuǎn)換器的先進(jìn)概念。因此，所集成SOI驅(qū)動(dòng)器不受參考電壓變化的影響，輸出功率高達(dá)15kW，從而提高了在應(yīng)用中的可靠性。

    對(duì)于低功率的應(yīng)用，如輸出功率小于2kW的電機(jī)，集成模塊在過(guò)去十年中取得了很大的市場(chǎng)份額，在很大程度上取代了采用分立元件的解決方案。在這一功率范圍內(nèi)，IPM（智能功率模塊）這一通用術(shù)語(yǔ)主要是指焊在引線(xiàn)框架上并采用壓注模處理進(jìn)行封裝的集成了驅(qū)動(dòng)器的三相逆變器電路。

    對(duì)于大高功率的應(yīng)用，散熱性能必須增強(qiáng)；然而，這對(duì)于上述封裝類(lèi)型來(lái)說(shuō)難以實(shí)現(xiàn)。尤其那些為更高功率應(yīng)用開(kāi)發(fā)的IPM是基于將驅(qū)動(dòng)器安裝在一塊傳統(tǒng)電路板(PCB)上的方式，且PCB集成在經(jīng)典模塊內(nèi)；但是，這些模塊需要復(fù)雜的內(nèi)部連接技術(shù)，并且還必須解決為驅(qū)動(dòng)器組件提供充分冷卻這一問(wèn)題。

    對(duì)于中等功率的應(yīng)用，如輸出功率為2-15kW的電機(jī)、CIB模塊（整流器-變頻器-制動(dòng)器），在過(guò)去幾年已獲得了堅(jiān)實(shí)的市場(chǎng)基礎(chǔ)。CIB是一種有效的解決方案，它將所有具有高散熱要求的功率開(kāi)關(guān)管組合在一起構(gòu)成一個(gè)單一模塊。用在CIB解決方案中的MiniSKiiP®模塊已經(jīng)被證明是特別成功的，因?yàn)樗鼈儗⒂脩?hù)友好的組裝概念和先進(jìn)的封裝技術(shù)結(jié)合在了一起。

    在面向中等功率驅(qū)動(dòng)器的解決方案中，由于采用了集成驅(qū)動(dòng)器的概念，使MiniSKiiP® IPM成為一款先進(jìn)的智能功率模塊。本文在解釋這個(gè)概念之前先簡(jiǎn)要介紹這種封裝技術(shù)的特點(diǎn)。

無(wú)基板模塊
    功率模塊所使用的常規(guī)封裝技術(shù)是基于一塊是堅(jiān)固的銅板，其功能是作為整個(gè)模塊組件的基板。這些基板通常2 – 3mm厚，會(huì)帶來(lái)一些問(wèn)題 [1] ：由基板和陶瓷功率基板的熱膨脹系數(shù)不同所導(dǎo)致的-陶瓷功率基板是由銅/陶瓷/銅制成的復(fù)合板，因其制造工藝而被稱(chēng)為DBC（直接敷銅），焊接后在焊層產(chǎn)生一定的應(yīng)力，造成整個(gè)系統(tǒng)發(fā)生強(qiáng)烈的彎曲。彎曲在組裝層產(chǎn)生空洞，這會(huì)在模塊中帶來(lái)嚴(yán)重的熱效應(yīng)。雖然一個(gè)設(shè)計(jì)合適的基板有助于減少這種空洞，可是，由于焊料的粘塑性，隨著時(shí)間的推移，將會(huì)產(chǎn)生松弛，從而使彎曲發(fā)生改變。因此，無(wú)法確定任何特定時(shí)刻的基板最佳形狀。

    10多年前，因?yàn)檫@些因素，所以開(kāi)發(fā)了無(wú)基板封裝解決方案。在此種解決方案中，焊層和基板本身不再作為熱量通往散熱器的途徑。如果采用了一個(gè)合適的壓力系統(tǒng)在基板和散熱器之間提供一個(gè)小間隙，由因缺少基板進(jìn)行熱擴(kuò)散所造成的弊端，幾乎可以由減小熱涂層的厚度來(lái)彌補(bǔ)。

    相比之下，無(wú)基板模塊重量的減輕對(duì)于移動(dòng)應(yīng)用中的逆變器系統(tǒng)具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

彈簧觸點(diǎn)
    用戶(hù)友好的模塊組裝方式主要是由于模塊連接的技術(shù)來(lái)體現(xiàn)。在MiniSKiiP®模塊中，彈簧觸點(diǎn)技術(shù)用于負(fù)載和控制的接觸。對(duì)于用戶(hù)，這意味著能夠帶來(lái)一些好處：無(wú)需額外組裝設(shè)備就能將模塊與PCB相連；PCB僅僅是放在模塊和壓蓋之間；當(dāng)模塊安裝到散熱器上時(shí)，熱接觸和所有的電氣連接一步完成。第二個(gè)好處是有可能在任何給定的時(shí)間完成拆卸——從而進(jìn)一步體現(xiàn)這項(xiàng)技術(shù)的服務(wù)便利性。與采用過(guò)孔技術(shù)的焊接連接不同，彈簧觸點(diǎn)技術(shù)還大大簡(jiǎn)化了PCB的布局。

    彈簧觸點(diǎn)的使用也提供了一種模塊設(shè)計(jì)方面的優(yōu)勢(shì)。事實(shí)上，彈簧觸點(diǎn)的啟用增強(qiáng)了設(shè)計(jì)的靈活性，這意味著在DBC上可以相對(duì)自由的布置觸點(diǎn)的位置。這使得開(kāi)發(fā)工程師可以通過(guò)設(shè)置觸點(diǎn)的位置來(lái)確保CIB具有最佳的動(dòng)態(tài)電氣特性?？梢詼p少一些內(nèi)部連接的數(shù)量，從而增強(qiáng)整體可靠性。如前所述，彈簧觸點(diǎn)技術(shù)可以更為靈活地進(jìn)行模塊的設(shè)計(jì)。在模塊外殼內(nèi)部，通過(guò)在軸上采用不同的彈簧配置，可以在很容易地一個(gè)或相同模塊系列中實(shí)現(xiàn)不同的版本。

    MiniSKiiP® IPM中，彈簧觸點(diǎn)的位置能被調(diào)整，從而實(shí)現(xiàn)所有必要的負(fù)載和控制接觸（圖1）。在組裝過(guò)程中壓在印刷電路板上面的一個(gè)封邊圍繞具有相同電位范圍的彈簧觸點(diǎn)，以及整個(gè)觸點(diǎn)區(qū)，從而可減小環(huán)境對(duì)模塊的影響。

圖. 1: 600 V MiniSKiiP® CIB IPM

    MiniSKiiP®彈簧的持續(xù)電流承載能力為20A，受焦耳定律的限制。在一塊MiniSKiiP® IPM中，負(fù)載觸點(diǎn)由三個(gè)平行的彈簧組成，從而使有效連續(xù)電流為60A 。

    雖然彈簧觸點(diǎn)的優(yōu)勢(shì)現(xiàn)在得到了相對(duì)廣泛的認(rèn)可，但在有關(guān)極端條件下的長(zhǎng)期可靠性方面仍存在一些保留，這些極端條件在電力電子應(yīng)用中并不少見(jiàn)。采用插件連接器所帶領(lǐng)的消極經(jīng)驗(yàn)強(qiáng)化了這些保留，插件連接器可能會(huì)在小電流和電壓方面產(chǎn)生問(wèn)題。[!--empirenews.page--]

    與此相反，MiniSKiiP®模塊中所使用的彈簧觸點(diǎn)與標(biāo)準(zhǔn)商業(yè)插件連接器有很大的不同，再者它還能提供一個(gè)非常大的接觸力。采用標(biāo)準(zhǔn)插頭連接器，接觸力是有限的，因?yàn)檫^(guò)高的接觸力也會(huì)造成了插拔連接器所需的力也相應(yīng)增加了。插件連接器的典型接觸壓力是在10N/mm2范圍內(nèi)。

    有了MiniSKiiP®彈簧觸點(diǎn)，組裝的過(guò)程中將模塊壓在散熱器上的螺絲所帶來(lái)的接觸力情況就大不相同了。在組裝過(guò)程中，彈簧接觸面的壓力范圍為20-100N/mm²。傳統(tǒng)模塊中，負(fù)載連接和直流環(huán)節(jié)母線(xiàn)間的典型螺絲連接的壓力約為50N/mm2 。因此彈簧觸點(diǎn)和螺絲連接更具可比性，而非傳統(tǒng)的插件連接器[2] 。

    因?yàn)槊總€(gè)彈簧的接觸力在4-6 N之間，如在MiniSKiiP®模塊中 ，銀被選為首選的觸點(diǎn)鍍層材料。長(zhǎng)期廣泛的調(diào)查已經(jīng)確認(rèn)這種接觸表面具有高度的可靠性，并且適用于具有SnPb表面的PCB，以及符合RoHS指令的化學(xué)錫、熱風(fēng)整平(HAL)錫和鎳/鍍金(ENIG)的表面。唯一不建議采用彈簧觸點(diǎn)的印刷電路板表面處理方式是有機(jī)表面保護(hù)(OSP) 。

SOI 驅(qū)動(dòng)器
    帶有高電壓集成電路(HVIC)的MiniSKiiP®被稱(chēng)為CIB IPM模塊。它的優(yōu)勢(shì)是：增大了集成度和增強(qiáng)了易用性。

    這里所用的HVIC平臺(tái)是600V SOI加工技術(shù)。SOI技術(shù)相對(duì)絕緣pn結(jié)概念的優(yōu)勢(shì)在于相對(duì)較小的漏電流。此外，所有活動(dòng)組件電介質(zhì)絕緣保證了免受閉鎖效應(yīng)的影響，在絕緣PN結(jié)的HVIC中閉鎖效應(yīng)可能導(dǎo)致故障并最終燒毀逆變器。最后， SOI技術(shù)可使HVIC在高達(dá)200 ℃的工作溫度下運(yùn)行 ，這使得這項(xiàng)技術(shù)適合于應(yīng)對(duì)未來(lái)電源模塊的工作溫度要求。

    HVIC的工作電壓在12V和17V之間，控制成對(duì)互鎖的三個(gè)TOP和三個(gè)BOT開(kāi)關(guān)，以防止它們同時(shí)開(kāi)啟，以及第四個(gè)用于制動(dòng)斬波器或 PFC電路的BOT開(kāi)關(guān)。輸入都兼容TTL或3.3V CMOS邏輯電路，信號(hào)輸入和輸出之間的延遲時(shí)間大約是300ns 。一個(gè)故障管理功能處理內(nèi)部故障（電壓不足）和外部故障（如過(guò)流檢測(cè)） ，并確保所有CIB開(kāi)關(guān)都被關(guān)閉。

    然而，SOI驅(qū)動(dòng)器的一個(gè)基本特征是先進(jìn)的電平轉(zhuǎn)換器概念，它可以很大程度上不受驅(qū)動(dòng)器參考電壓變化的影響。在逆變器中，陡峭的電流斜坡發(fā)生在負(fù)載電流切換時(shí)，加上系統(tǒng)中的寄生電感，在IGBT的發(fā)射極和驅(qū)動(dòng)器參考電壓之間產(chǎn)生電壓。這些電壓可以有兩種極性。根據(jù)不同的極性，柵極和發(fā)射極之間的電壓增加或減少。這就導(dǎo)致開(kāi)關(guān)性能的變化。在不利的條件下，可能會(huì)導(dǎo)致開(kāi)關(guān)不必要的開(kāi)啟或關(guān)閉。在最壞的情況下，甚至可能導(dǎo)致逆變器損壞。此外，使用限流器監(jiān)測(cè)電流會(huì)導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)器參考電壓和IGBT發(fā)射極之間產(chǎn)生與負(fù)載相關(guān)的電壓漂移，這會(huì)導(dǎo)致類(lèi)似的問(wèn)題。

    在低功率IPM中，這些寄生電壓波動(dòng)通常都非常低，不過(guò)，它們隨著功率的增大而增大，也就是說(shuō)，隨著電流的增加，這種影響也變得更為嚴(yán)重。為此，開(kāi)發(fā)了先進(jìn)的電平轉(zhuǎn)換器概念，可以在兩種電壓極性下為BOT和TOP開(kāi)關(guān)對(duì)電壓的變化進(jìn)行補(bǔ)償。

    BOT電平轉(zhuǎn)換器的基本原理如圖 2a所示。在兩個(gè)獨(dú)立的傳輸通道上驅(qū)動(dòng)一個(gè)TOP和一個(gè)BOT電平轉(zhuǎn)換器。電平轉(zhuǎn)換器是在每個(gè)路徑上帶額外二極管的常規(guī)靜態(tài)CMOS電平轉(zhuǎn)換器。根據(jù)原邊和副邊間電平轉(zhuǎn)換的極性，TOP或BOT電平轉(zhuǎn)換器被用于信號(hào)轉(zhuǎn)換，而其他級(jí)別的電平轉(zhuǎn)換器被反向二極管所阻擋。在副邊，所需要只是簡(jiǎn)單的OR電路。

   TOP開(kāi)關(guān)電平轉(zhuǎn)換器的實(shí)現(xiàn)（圖2b）更為復(fù)雜，因?yàn)闆](méi)有阻斷電壓為600V 的P-MOS晶體管可供使用。由于這個(gè)原因，采用了基于高壓nDMOS和高阻斷二極管的脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換。脈沖轉(zhuǎn)換可減少橫向電流，從而減少開(kāi)關(guān)損耗。

  圖. 2: BOT 開(kāi)關(guān) (a) and TOP 開(kāi)關(guān) (b)雙極性電平轉(zhuǎn)換器的電路圖

    在TOP和BOT開(kāi)關(guān)控制中采用雙極性電平轉(zhuǎn)換器這一先進(jìn)概念，使得驅(qū)動(dòng)器可以免受參考電壓變化的影響，只受電平轉(zhuǎn)換器開(kāi)關(guān)阻斷能力的限制。在靜態(tài)電壓變化情況下，電平轉(zhuǎn)換器的功能由圖3a和圖3b中的信號(hào)特征來(lái)體現(xiàn)，電壓變化分別為+20V和-20V。動(dòng)態(tài)電壓變化也很容易補(bǔ)償，如圖4a所示。此處，二次側(cè)驅(qū)動(dòng)信號(hào)的特征幾乎是理想的，盡管在發(fā)射極電壓和驅(qū)動(dòng)器參考電壓之間引入了噪聲信號(hào)。

圖. 3: 參考電壓在+20V (a) 和 -20V (b)之間變化時(shí)，600V SOI 驅(qū)動(dòng)器的特性[!--empirenews.page--]

     圖4b顯示的是SOI驅(qū)動(dòng)器的布局，用以說(shuō)明單獨(dú)通道。圖中也能看到用于TOP開(kāi)關(guān)雙極性電平轉(zhuǎn)換器的高阻斷DMOS晶體管和二極管。

圖. 4a:  動(dòng)態(tài)參考電壓因噪聲信號(hào)干擾產(chǎn)生波動(dòng)時(shí)，600V SOI 驅(qū)動(dòng)器的特性

 
圖. 4b: 驅(qū)動(dòng)器輸出級(jí)的視圖

集成SOI驅(qū)動(dòng)器的MiniSKiiP® IPM 
    HVIC直接安裝CIB功率模塊的DBC上。通過(guò)這種方式，可使信號(hào)路徑短，從而使驅(qū)動(dòng)器路徑的寄生特性小（圖5 ） 。

圖. 5: 集成SOI驅(qū)動(dòng)器的MiniSKiiP® CIB IPM 的DBC

    DBC 由兩塊帶0.38mm氧化鋁陶瓷層的0.2mm銅層組成。導(dǎo)電跡線(xiàn)和0.4mm的絕緣溝道對(duì)于分配驅(qū)動(dòng)器控制信號(hào)是必需的。

    組裝過(guò)程的第一步是焊接功率組件和溫度傳感器。然后使用導(dǎo)電膠集成HVIC和SMD柵極電阻。功率組件的上層觸點(diǎn)使用300μm厚的鋁焊線(xiàn)連接，而驅(qū)動(dòng)器的連接使用50μm鋁焊線(xiàn)。然后電路嵌入軟硅膠，基板插入已安裝觸點(diǎn)彈簧的模塊外殼中 。模塊組裝完成后，軟硅膠已被處理了。

    直接將驅(qū)動(dòng)器安裝在DBC上的一個(gè)重要的優(yōu)勢(shì)是良好的散熱性能。事實(shí)上，一塊4.9mm x 3.1mm的驅(qū)動(dòng)器芯片的熱阻大約為4K/W。與之相比，在傳統(tǒng)SOP28殼體中，尺寸幾乎相同的芯片的熱阻大約是75K/W。低熱阻允許驅(qū)動(dòng)器的輸出級(jí)可以有更大的功率。雖然第一臺(tái)原型機(jī)在輸出電壓為15V時(shí)，輸出電流為500mA，下一代產(chǎn)品的輸出電流可以增加一倍，從而為中等功率應(yīng)用帶來(lái)更好的芯片控制。

總結(jié)
    新的600V SOI HVIC是一款在中等功率應(yīng)用中用于電源開(kāi)關(guān)控制的 7通道驅(qū)動(dòng)器。由于它采用了先進(jìn)的雙極性電平轉(zhuǎn)換器概念，這款新驅(qū)動(dòng)器可提供可靠的控制且抗干擾。將此款驅(qū)動(dòng)器與現(xiàn)有的用戶(hù)能夠方便進(jìn)行組裝的功率模塊進(jìn)行集成，就會(huì)形成CIB IPM，它為中等功率應(yīng)用指定了新的標(biāo)準(zhǔn)。