适用于高达15kW驱动的智能功率模块

作者：Musamettin Zurnaci赛米控应用经理

    效率正成为变频器设计中的一个日益重要的因素——从器件的选择，到变频器本身，一直到制造过程。输出功率高达15kW的智能模块具有创新性的装配技术并集成了SOI驱动器可以大大缩短产品开发时间。

    今天，速度是竞争世界的一个非常重要因素，虽然在现实中，一个新的变频器的上市时间相对较长。这就是说，开发工程师可以尽力将一个具有某些特定功能的新产品更快地推向市场：然而，为了这样做，他们必须冒险探索新的途径，避免使用常规的方法。通常情况下，变频器的个别级，如输入整流器、驱动电路或功率级，是由分立元件构成的。为此，必须进行非常复杂的计算和使用可能的元件进行模拟，以使电源和信号路径部分的各个元件相互匹配。功率IGBT驱动电路的开发是特别具有挑战性。该驱动电路必须确保变频器的功率晶体管得到足够的能量供应以及重要的系统参数（如负载电路中的短路）进行监测。在开发和制造变频器过程中使用低集成度的器件所带来的结果不仅是开发时间较长，而且在物流和生产过程中存在相当大的缺点。大量的独立器件意味着需要更多的存储空间，在生产链中需要更多的步骤。这会导致较长的生产时间和更高的故障率。系统的整体服务便利性也受损，因为需要在生产阶段或客户应用中进行的最终修理会非常麻烦。所有上述的影响导致成本上升，从而使逆变器整体上较昂贵。通过使用赛米控为中功率应用而开发的MiniSKiiP IPM，其最大输出功率达15kW，可以大幅度减少使用分立元件所带来的缺点并节省成本。本文介绍MiniSKiiP IPM在机械、电气和热性能方面的特点。

压接技术

    MiniSKiiPIPM的主要机械特点是组装方便、便于服务的连接方式。事实上，功率和控制连接都使用了弹簧压接技术。这种类型的连接技术为用户提供了一些优势。用户的印制电路板不必安装通孔技术（THT）的热敏感焊接连接，因为在一边的接触面就足够了。整个电力电子部分由散热器、MiniSKiiP IPM、用户印刷电路板和盖子（图1）组成，按照一种夹层的方式放置在顶部并用螺丝拧紧。模块和用户印刷电路板之间的所有电气连接，以及到散热器的热连接只需一个安装步骤即可完成。电力电子部分还可以被拆除——在生产中或在客户现场因维修目的——与常规螺丝或焊接连接相比，非常方便。

    连续工作时，每个触点弹簧的允许最大电流为20A。由于负载电路中所有的触点弹簧采用并联弹簧，因此每个负载电路的最大允许电流增大了。电气和热接触是通过螺丝实现的。螺丝将模块压在散热器上，这样做所带来的机械接触力高达100N/mm² 。相比之下，传统模块中，用于负载连接的螺丝所提供的接触力大约为50N/mm² 。常规引脚连接器的接触力是10N/mm² 。因此，弹簧触点可以提供与螺丝连接一样好的接触，即使不能提供更好的接触。

    传统功率模块中，使用了2-3mm厚的铜基板。铜基板和DCB（直接敷铜）热膨胀系数的不同导致在制造过程中完成焊接后以及在高温下使用模块的过程中焊层都会存在应力。这些应力导致弯曲，这就是为什么MiniSKiiP IPM模块中取消了铜基板。在组装过程中，DCB是直接安装到散热器上。这样做有两个重要的优点：从芯片到散热器的热路径变短了，并且模块的整体重量减轻了，这为移动应用提供了至关重要的的优势。

图 1：使用中的MiniSKiiP IPM– 得益于压接技术，使得安装简便

集成驱动器

MiniSKiiP IPM的核心是所集成的最匹配的HVIC驱动器（高压集成电路）。对于用户来说，其优点是：模块的使用得以简化。与使用外部驱动器不同，这里的在信号路径要短得多，从而改善了EMI特性并大大增强了抗寄生效应能力（图2）。

    HVIC驱动器可以驱动7个IGBT （3个在高侧、3个在低侧、1个在制动斩波器），它基于600V SOI技术。与pn结绝缘技术相比，该技术的漏电流非常小。SOI技术的进一步优势是为了防止产生闭锁而对有源器件进行电介质隔离，以及高集成度。HVIC驱动器具有集成的故障管理功能，该功能通过使用外部分流器监控电源电压和负载电流。如果出现一个故障，所有开关（ IGBT）被关断。此外，HVIC驱动器具有创新的电平转换器概念，有了电平转换器，可以不受驱动器参考电压变化的影响。当切换大负载电流时，陡峭的电流上升结合寄生电感，能在IGBT发射极电位和驱动器参考电压之间产生电压。由于这些电压具有任意的极性，因此栅极和发射极之间的电压根据极性增大或减小。在传统的驱动器电路中，这可能对开关性能产生不利的影响，或者在最坏的情况下，甚至可以导致系统的损坏。

    集成HVIC驱动器的进一步优势可以从良好的散热性能看出。例如，对于尺寸约为4.9mm x 3.1mm的驱动模块，可实现约4 K/W的热阻，HVIC的工作温度范围提高到200°C。相比之下，传统模块中类似大小芯片的热阻约为 75K/W。热阻的减小可用来增加驱动器的输出功率，从而优化IGBT的控制。

图2：集成了SOI驱动器的600V MiniSKiiP CIB IPM的设计

    赛米控MiniSKiiP技术中的IPM模块，采用了弹簧压接，拥有优异的电气和热性能。开发时间大大减少，因为不再需要复杂的驱动器开发。IGBT和HVIC驱动器物理位置上的接近增强了抗电磁干扰的稳定性，从而大大提高了可靠性。

全面优势

电力电子技术新的地平线

    经验表明，焊接在制造过程和实际应用中都是电路中的一个薄弱点。在电力电子领域，这一问题更加严重。大电流以及由此产生的高温为变频器的开发商带来很大的挑战。有了采用压接技术的功率模块，由焊接所造成的不利因素不再是一个问题：生产过程可以被简化、因而降低生产成本、发生故障时的服务便利性也得到了改善。