適用于高達15kW驅動的智能功率模塊

作者：Musamettin Zurnaci賽米控應用經理

    效率正成為變頻器設計中的一個日益重要的因素——從器件的選擇，到變頻器本身，一直到制造過程。輸出功率高達15kW的智能模塊具有創新性的裝配技術并集成了SOI驅動器可以大大縮短產品開發時間。

    今天，速度是競爭世界的一個非常重要因素，雖然在現實中，一個新的變頻器的上市時間相對較長。這就是說，開發工程師可以盡力將一個具有某些特定功能的新產品更快地推向市場：然而，為了這樣做，他們必須冒險探索新的途徑，避免使用常規的方法。通常情況下，變頻器的個別級，如輸入整流器、驅動電路或功率級，是由分立元件構成的。為此，必須進行非常復雜的計算和使用可能的元件進行模擬，以使電源和信號路徑部分的各個元件相互匹配。功率IGBT驅動電路的開發是特別具有挑戰性。該驅動電路必須確保變頻器的功率晶體管得到足夠的能量供應以及重要的系統參數（如負載電路中的短路）進行監測。在開發和制造變頻器過程中使用低集成度的器件所帶來的結果不僅是開發時間較長，而且在物流和生產過程中存在相當大的缺點。大量的獨立器件意味著需要更多的存儲空間，在生產鏈中需要更多的步驟。這會導致較長的生產時間和更高的故障率。系統的整體服務便利性也受損，因為需要在生產階段或客戶應用中進行的最終修理會非常麻煩。所有上述的影響導致成本上升，從而使逆變器整體上較昂貴。通過使用賽米控為中功率應用而開發的MiniSKiiP IPM，其最大輸出功率達15kW，可以大幅度減少使用分立元件所帶來的缺點并節省成本。本文介紹MiniSKiiP IPM在機械、電氣和熱性能方面的特點。

壓接技術

    MiniSKiiPIPM的主要機械特點是組裝方便、便于服務的連接方式。事實上，功率和控制連接都使用了彈簧壓接技術。這種類型的連接技術為用戶提供了一些優勢。用戶的印制電路板不必安裝通孔技術（THT）的熱敏感焊接連接，因為在一邊的接觸面就足夠了。整個電力電子部分由散熱器、MiniSKiiP IPM、用戶印刷電路板和蓋子（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安裝步驟即可完成。電力電子部分還可以被拆除——在生產中或在客戶現場因維修目的——與常規螺絲或焊接連接相比，非常方便。

    連續工作時，每個觸點彈簧的允許最大電流為20A。由于負載電路中所有的觸點彈簧采用并聯彈簧，因此每個負載電路的最大允許電流增大了。電氣和熱接觸是通過螺絲實現的。螺絲將模塊壓在散熱器上，這樣做所帶來的機械接觸力高達100N/mm² 。相比之下，傳統模塊中，用于負載連接的螺絲所提供的接觸力大約為50N/mm² 。常規引腳連接器的接觸力是10N/mm² 。因此，彈簧觸點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）熱膨脹系數的不同導致在制造過程中完成焊接后以及在高溫下使用模塊的過程中焊層都會存在應力。這些應力導致彎曲，這就是為什么MiniSKiiP IPM模塊中取消了銅基板。在組裝過程中，DCB是直接安裝到散熱器上。這樣做有兩個重要的優點：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，這為移動應用提供了至關重要的的優勢。

圖 1：使用中的MiniSKiiP IPM– 得益于壓接技術，使得安裝簡便

集成驅動器

MiniSKiiP IPM的核心是所集成的最匹配的HVIC驅動器（高壓集成電路）。對于用戶來說，其優點是：模塊的使用得以簡化。與使用外部驅動器不同，這里的在信號路徑要短得多，從而改善了EMI特性并大大增強了抗寄生效應能力（圖2）。

    HVIC驅動器可以驅動7個IGBT （3個在高側、3個在低側、1個在制動斬波器），它基于600V SOI技術。與pn結絕緣技術相比，該技術的漏電流非常小。SOI技術的進一步優勢是為了防止產生閉鎖而對有源器件進行電介質隔離，以及高集成度。HVIC驅動器具有集成的故障管理功能，該功能通過使用外部分流器監控電源電壓和負載電流。如果出現一個故障，所有開關（ IGBT）被關斷。此外，HVIC驅動器具有創新的電平轉換器概念，有了電平轉換器，可以不受驅動器參考電壓變化的影響。當切換大負載電流時，陡峭的電流上升結合寄生電感，能在IGBT發射極電位和驅動器參考電壓之間產生電壓。由于這些電壓具有任意的極性，因此柵極和發射極之間的電壓根據極性增大或減小。在傳統的驅動器電路中，這可能對開關性能產生不利的影響，或者在最壞的情況下，甚至可以導致系統的損壞。

    集成HVIC驅動器的進一步優勢可以從良好的散熱性能看出。例如，對于尺寸約為4.9mm x 3.1mm的驅動模塊，可實現約4 K/W的熱阻，HVIC的工作溫度范圍提高到200°C。相比之下，傳統模塊中類似大小芯片的熱阻約為 75K/W。熱阻的減小可用來增加驅動器的輸出功率，從而優化IGBT的控制。

圖2：集成了SOI驅動器的600V MiniSKiiP CIB IPM的設計

    賽米控MiniSKiiP技術中的IPM模塊，采用了彈簧壓接，擁有優異的電氣和熱性能。開發時間大大減少，因為不再需要復雜的驅動器開發。IGBT和HVIC驅動器物理位置上的接近增強了抗電磁干擾的穩定性，從而大大提高了可靠性。

全面優勢

電力電子技術新的地平線

    經驗表明，焊接在制造過程和實際應用中都是電路中的一個薄弱點。在電力電子領域，這一問題更加嚴重。大電流以及由此產生的高溫為變頻器的開發商帶來很大的挑戰。有了采用壓接技術的功率模塊，由焊接所造成的不利因素不再是一個問題：生產過程可以被簡化、因而降低生產成本、發生故障時的服務便利性也得到了改善。