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(tǒng)和集成層壓電源軌確保均衡的電流分布，柵極驅(qū)動(dòng)器采用了可靠的數(shù)字信號(hào)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(qū)動(dòng)器所需要的具有最大可靠性的功率模塊。本文對(duì)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(tǒng) 數(shù)字信號(hào)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(duì)于高可靠、結(jié)構(gòu)緊湊、功能強(qiáng)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(qū)動(dòng)器需要具有最大可靠性的功率模塊。隨著SKiiP?4 IPM的推出，賽米控對(duì)這一呼吁做出了響應(yīng)。賽米控已建立的系統(tǒng)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(qū)動(dòng)器和保護(hù)機(jī)制。SKiiP?4是該領(lǐng)域一貫發(fā)展和改進(jìn)的結(jié)果，結(jié)合了多年的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和最先進(jìn)封裝技術(shù)的使用，以及可靠的數(shù)字信號(hào)傳輸技術(shù)。

新的IPM針對(duì)額定電流為3600A、最高Udc為1,700V的應(yīng)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(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)更為緊湊、功能更為強(qiáng)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(zhǎng)的更高功率密度設(shè)計(jì)的需求。在這方面，熱循環(huán)能力和負(fù)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(dá)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(jié)技術(shù)將功率部分的最終焊層去除掉，實(shí)現(xiàn)了最大的負(fù)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(qiáng)大且緊湊的模塊。事實(shí)上，它是目前市場(chǎng)上最強(qiáng)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(jī)械壓力壓置到陶瓷基板和散熱器上。無(wú)焊接壓力系統(tǒng)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(nèi)部負(fù)載電阻和損耗保持最低。新的電源軌系統(tǒng)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(jié)構(gòu)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(tǒng)在模塊內(nèi)被動(dòng)熱聚集方面所提供的優(yōu)勢(shì)是不言而喻的。事實(shí)上，與傳統(tǒng)的帶基板功率模塊相比，此設(shè)計(jì)的熱循環(huán)能力增強(qiáng)5倍。導(dǎo)致這一結(jié)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(shù)不同。在被動(dòng)溫度變化的情況下，不同的材料內(nèi)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(xiàn)象。其結(jié)果是熱阻大大增加，最終導(dǎo)致模塊故障。

過(guò)去，焊料是將半導(dǎo)體芯片附著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(xiàn)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(jié)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(dá)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(jiān)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(fù)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(jié)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(xù)流二極管，同樣允許175°C的最高結(jié)溫。

3 柵極驅(qū)動(dòng)器概念

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

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

脈沖由內(nèi)部數(shù)字邏輯（FPGA）產(chǎn)生，有著確定的長(zhǎng)度和形狀，并被差分地評(píng)估。原邊的一個(gè)強(qiáng)大的橋式電路產(chǎn)生電壓信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)由變壓器以電隔離信號(hào)傳輸方式傳送至副邊。在副邊，信號(hào)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(hào)處理。

柵極驅(qū)動(dòng)器的主要功能是將多個(gè)開(kāi)關(guān)信號(hào)轉(zhuǎn)換成一個(gè)強(qiáng)大的開(kāi)關(guān)信號(hào)。在短路、其他過(guò)載以及正常運(yùn)行條件下，IGBT必須被安全地開(kāi)關(guān)。因此，為實(shí)現(xiàn)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(dú)立的驅(qū)動(dòng)器板。驅(qū)動(dòng)器板包括一個(gè)驅(qū)動(dòng)器核和一個(gè)觸點(diǎn)板。采用兩個(gè)獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)器板確保了最佳的熱分布和變異性（圖6）。內(nèi)部保護(hù)功能，如欠壓監(jiān)控（原邊和副邊）、短脈沖抑制和短路監(jiān)測(cè)，以及其他模擬信號(hào)的監(jiān)測(cè)和輸出，如電流、溫度甚至直流環(huán)節(jié)電壓。因此，該系統(tǒng)既能保護(hù)自己，而且還在同一時(shí)間向用戶(hù)傳遞重要的應(yīng)用參數(shù)。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(píng)估。

4 用于更高可靠性的可選老化測(cè)試

為了能夠?yàn)榭蛻?hù)提供具有最高可靠性的IPM，除了每個(gè)系統(tǒng)在離開(kāi)生產(chǎn)地之前必須經(jīng)過(guò)的標(biāo)準(zhǔn)功能測(cè)試之外，還提供一個(gè)可選的老化測(cè)試。該測(cè)試會(huì)持續(xù)60min到90min，在逆變器最糟的真實(shí)條件下測(cè)試基本功能和應(yīng)力。測(cè)試的目的是，例如，檢測(cè)每個(gè)獨(dú)立IGBT單元統(tǒng)計(jì)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(cè)試?？蛻?hù)可能會(huì)選擇在1象限或4象限間運(yùn)行，此項(xiàng)測(cè)試適合風(fēng)冷或水冷系統(tǒng)。

5 結(jié)論

即使在極端應(yīng)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?yàn)闊o(wú)焊接壓接技術(shù)被用于功率部分，再加上柵極驅(qū)動(dòng)器采用了可靠的數(shù)字信號(hào)傳輸。SKiiP? IPM主要用在如下行業(yè)領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)級(jí)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(qū)動(dòng)器。這些應(yīng)用實(shí)例都是要求功率模塊具有最高可靠性的明顯例子。