用于大功率工業(yè)應用的IPM――最大電流可達3600 A

摘要：IPM系列以無(wú)底板SKiiP?技術(shù)為特色，無(wú)焊接壓力系統和集成層壓電源軌確保均衡的電流分布，柵極驅動(dòng)器采用了可靠的數字信號傳輸。這些特點(diǎn)使SKiiP?4 IPM成為風(fēng)能和太陽(yáng)能、無(wú)軌電車(chē)、有軌電車(chē)和地鐵、電梯以及工業(yè)驅動(dòng)器所需要的具有最大可靠性的功率模塊。本文對SKiiP?4 IPM的性能作了介紹。 敘詞：IPM 無(wú)底板SKiiP?技術(shù) 無(wú)焊接壓力系統 數字信號傳輸 Abstract：IPM Series features non base plate SKiiP technology, with its non-welding pressure system and integrated multi-layer power rails ensuring proportional current distribution, and with its grid drive applying reliable digital communication. These features ensure a most stable power module that is needed for wind power, solar power, trolleybuses, trams, subway, elevators and industrial drives. The article explains the performance of SKiiP4 IPM. Keyword：IPM, Non Base Plate SKiiP Technology, Non-welding Pressure System, Digital Communication

1 前言

近年來(lái)，業(yè)界對于高可靠、結構緊湊、功能強大且物美價(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)驅動(dòng)器需要具有最大可靠性的功率模塊。隨著(zhù)SKiiP?4 IPM的推出，賽米控對這一呼吁做出了響應。賽米控已建立的系統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、柵極驅動(dòng)器和保護機制。SKiiP?4是該領(lǐng)域一貫發(fā)展和改進(jìn)的結果，結合了多年的實(shí)踐經(jīng)驗和最先進(jìn)封裝技術(shù)的使用，以及可靠的數字信號傳輸技術(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%，從而可以設計結構更為緊湊、功能更為強大的解決方案，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(cháng)的更高功率密度設計的需求。在這方面，熱循環(huán)能力和負載循環(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)改用燒結技術(shù)將功率部分的最終焊層去除掉，實(shí)現了最大的負載循環(huán)能力。

得益于IGBT4和CAL4技術(shù)，SKiiP?4 IPM提供大功率密度，使其成為一種強大且緊湊的模塊。事實(shí)上，它是目前市場(chǎng)上最強大的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)機械壓力壓置到陶瓷基板和散熱器上。無(wú)焊接壓力系統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。這樣可使內部負載電阻和損耗保持最低。新的電源軌系統在功率模塊中同時(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。層狀結構使得觸點(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。

這種壓力系統在模塊內被動(dòng)熱聚集方面所提供的優(yōu)勢是不言而喻的。事實(shí)上，與傳統的帶基板功率模塊相比，此設計的熱循環(huán)能力增強5倍。導致這一結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不同。在被動(dòng)溫度變化的情況下，不同的材料內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)生疲勞現象。其結果是熱阻大大增加，最終導致模塊故障。

過(guò)去，焊料是將半導體芯片附著(zhù)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續流二極管，同樣允許175°C的最高結溫。

3 柵極驅動(dòng)器概念

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

集成的柵極驅動(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并通過(guò)完全隔離傳輸方式將其傳送至高壓側，在這種情況下控制IGBT。信號以差分形式傳輸，這意味著(zhù)信號進(jìn)行了比較，并從一個(gè)當中減去另一個(gè)，得到的結果是不同的信號。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。通過(guò)將兩個(gè)不同的輸出電壓相減，可以消除干擾信號。

脈沖由內部數字邏輯（FPGA）產(chǎn)生，有著(zhù)確定的長(cháng)度和形狀，并被差分地評估。原邊的一個(gè)強大的橋式電路產(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(gè)差分比較器接收，并傳遞至副邊的FPGA用于進(jìn)一步的信號處理。

柵極驅動(dòng)器的主要功能是將多個(gè)開(kāi)關(guān)信號轉換成一個(gè)強大的開(kāi)關(guān)信號。在短路、其他過(guò)載以及正常運行條件下，IGBT必須被安全地開(kāi)關(guān)。因此，為實(shí)現最優(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)獨立的驅動(dòng)器板。驅動(dòng)器板包括一個(gè)驅動(dòng)器核和一個(gè)觸點(diǎn)板。采用兩個(gè)獨立的驅動(dòng)器板確保了最佳的熱分布和變異性（圖6）。內部保護功能，如欠壓監控（原邊和副邊）、短脈沖抑制和短路監測，以及其他模擬信號的監測和輸出，如電流、溫度甚至直流環(huán)節電壓。因此，該系統既能保護自己，而且還在同一時(shí)間向用戶(hù)傳遞重要的應用參數。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

為了能夠為客戶(hù)提供具有最高可靠性的IPM，除了每個(gè)系統在離開(kāi)生產(chǎn)地之前必須經(jīng)過(guò)的標準功能測試之外，還提供一個(gè)可選的老化測試。該測試會(huì )持續60min到90min，在逆變器最糟的真實(shí)條件下測試基本功能和應力。測試的目的是，例如，檢測每個(gè)獨立IGBT單元統計意義上的過(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)行了這一測試?？蛻?hù)可能會(huì )選擇在1象限或4象限間運行，此項測試適合風(fēng)冷或水冷系統。

5 結論

即使在極端應用條件下，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。這是因為無(wú)焊接壓接技術(shù)被用于功率部分，再加上柵極驅動(dòng)器采用了可靠的數字信號傳輸。SKiiP? IPM主要用在如下行業(yè)領(lǐng)域的標準工業(yè)級大功率逆變器中：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)驅動(dòng)器。這些應用實(shí)例都是要求功率模塊具有最高可靠性的明顯例子。