本质安全电源电路理论综述 2012-04-18用于大功率工业应用的IPM——最大电流可达3600 A

1  前言

近年来，业界对于高可靠、结构紧凑、功能强大且物美价廉的功率模块的呼声变得越来越响亮。诸如风力和太阳能电站、无轨电车、有轨电车、地铁以及其他大功率工业驱动器需要具有最大可靠性的功率模块。随着SKiiP?4 IPM的推出，赛米控对这一呼吁做出了响应。赛米控已建立的系统组件良好匹配的概念也是该解决方案所具有的特点：散热器、电力电子器件、栅极驱动器和保护机制。SKiiP?4是该领域一贯发展和改进的结果，结合了多年的实践经验和最先进封装技术的使用，以及可靠的数字信号传输技术。

新的IPM针对额定电流为3600A、最高Udc为1,700V的应用进行了优化。此外，它是第一款具有在一个散热器上并联有6个半桥特点的模块。因此，载流能力提高了50%，从而可以设计结构更为紧凑、功能更为强大的解决方案，如用于开关柜中。因而该新模块可在不降低可靠性的情况下，满足不断增长的更高功率密度设计的需求。在这方面，热循环能力和负载循环能力是关键。在牵引领域，例如，电车在夜间温度降至零度以下，而在启动时温度可高达100℃。此处所采用的最佳装配和连接技术，不再需要底板，因而保证了这种能力，即使在极端恶劣的外部环境条件下。通过改用烧结技术将功率部分的最终焊层去除掉，实现了最大的负载循环能力。

得益于IGBT4和CAL4技术，SKiiP?4 IPM提供大功率密度，使其成为一种强大且紧凑的模块。事实上，它是目前市场上最强大的IPM。

2  功率部分

新的IPM系列以无底板SKiiP?技术为特色，芯片和过去一样，是通过机械压力压置到陶瓷基板和散热器上。无焊接压力系统和集成层压电源轨确保均衡的电流分布。每个IGBT和二极管芯片分别连接到主端子。这样可使内部负载电阻和损耗保持最低。新的电源轨系统在功率模块中同时履行几个职能。一方面，它将DCB（直接铜键合）压在散热器上，由此在整个DCB表面上分布了大量的接触，确保了与散热器的均匀接触。另一方面，这些触点直接作为电流媒介。层状结构使得触点和硅片之间连接的电感和电阻小。这在并联的IGBT之间可提供良好的动态电流分布。

这种压力系统在模块内被动热聚集方面所提供的优势是不言而喻的。事实上，与传统的带基板功率模块相比，此设计的热循环能力增强5倍。导致这一结果的原因是功率模块包含不同的材料，如铜、陶瓷（如氧化铝）和硅，每种材料的热膨胀系数不同。在被动温度变化的情况下，不同的材料内均有不同程度的膨胀。这会在诸如连接陶瓷基板和底板的焊接层上产生疲劳现象。其结果是热阻大大增加，最终导致模块故障。

过去，焊料是将半导体芯片附着和互连到基板的首选材料。然而，焊锡合金因其熔点只有220℃，在实现更高芯片工作温度方面有局限。在SKiiP?4模块中，硅芯片和DCB基板之间的焊接层完全被烧结层所取代。有了这一连接技术，芯片首次被放置在银涂层上，并在其上施加压力，以在DCB和芯片之间建立一个永久的连接。这一薄银层的的热阻比焊接连接小且熔点较高，达960℃，这就是为什么可以避免过早材料疲劳的原因。银连接是坚固的，熔化温度比焊接连接高6倍（图2）。与采用焊接芯片的模块相比，半桥具有更高的负载循环能力。

优化组装和连接技术还需要正确选择IGBT和二极管。为了能够提供最高结温Tj.max=175℃，赛米控的SKiiP?4模块在1200V和1700V两个模块版本中使用了英飞凌的IGBT4技术。所用的二极管是赛米控开发的CAL4续流二极管，同样允许175°C的最高结温。

3  栅极驱动器概念

如果没有数字技术，今天的世界是无法想象的。在电力电子系统中，数字技术也被证明越来越受欢迎，并在越来越多的应用中发现用武之地。到目前为止，信号通过边沿触发信号传输方式来传输，即信号通过一个串联谐振电路发送至二次侧，信号由一个边沿存储器检测。与此相反，在数字化传输中，采用一个由0和1组成的永久性数据流。从电子角度来看，这意味着信号是清晰的。与模拟技术不同，数字化传输实现了高度的信号完整性。温度依赖性、参数的波动或电路缺乏长期稳定性，所有这些模拟系统的典型特征都可以排除。对于IGBT控制来说，数字传输技术的进一步优势是：无干扰、与温度无关以及对任何类型信号的强大传输能力，包括缓慢的传感器信号。

集成的栅极驱动器是新IPM系列的另一个关键因素所在。PCB板接收控制器整定的输入信号并通过完全隔离传输方式将其传送至高压侧，在这种情况下控制IGBT。信号以差分形式传输，这意味着信号进行了比较，并从一个当中减去另一个，得到的结果是不同的信号。通常情况下，两个脉冲变压器的输出可能会含有相同的干扰信号。通过将两个不同的输出电压相减，可以消除干扰信号。

脉冲由内部数字逻辑（FPGA）产生，有着确定的长度和形状，并被差分地评估。原边的一个强大的桥式电路产生电压信号，该信号经由变压器以电隔离信号传输方式传送至副边。在副边，信号由一个差分比较器接收，并传递至副边的FPGA用于进一步的信号处理。

栅极驱动器的主要功能是将多个开关信号转换成一个强大的开关信号。在短路、其他过载以及正常运行条件下，IGBT必须被安全地开关。因此，为实现最优开关而受控的IGBT开启和关闭，以及减少开关损耗是至关重要的

每个SKiiP?4 IPM有两个独立的驱动器板。驱动器板包括一个驱动器核和一个触点板。采用两个独立的驱动器板确保了最佳的热分布和变异性（图6）。内部保护功能，如欠压监控（原边和副边）、短脉冲抑制和短路监测，以及其他模拟信号的监测和输出，如电流、温度甚至直流环节电压。因此，该系统既能保护自己，而且还在同一时间向用户传递重要的应用参数。此外，也提供了一条具有CAN-Open特性的诊断通道，用于确保最优评估。

4  用于更高可靠性的可选老化测试

为了能够为客户提供具有最高可靠性的IPM，除了每个系统在离开生产地之前必须经过的标准功能测试之外，还提供一个可选的老化测试。该测试会持续60min到90min，在逆变器最糟的真实条件下测试基本功能和应力。测试的目的是，例如，检测每个独立IGBT单元统计意义上的过早故障并将这些从模块中去除。2008年，售出的SKiiP?3模块中约有80%进行了这一测试。客户可能会选择在1象限或4象限间运行，此项测试适合风冷或水冷系统。

5  结论

即使在极端应用条件下，SKiiP?4电力电子模块也满足最高的一体化，可靠性和电流密度的要求。这是因为无焊接压接技术被用于功率部分，再加上栅极驱动器采用了可靠的数字信号传输。SKiiP? IPM主要用在如下行业领域的标准工业级大功率逆变器中：风能和太阳能、牵引（无轨电车、有轨电车和地铁）、电梯以及工业驱动器。这些应用实例都是要求功率模块具有最高可靠性的明显例子。