现代功率模块及器件应用技术.doc

现代功率模块及器件应用技术（4） Ulrich Nicolai, Tobias Reimann 著 李毅，魏宇浩 译 （赛米控国际公司） 4 SEMIKRON功率模块 4.1 SEMIKRON功率模块的命名方法 制造商通过命名来标识其产品不同的功能、内部线路、电流和电压限值以及其他说明。 下面给出了SEMIKRON生产的MOSFET和IGBT模块的命名规则。 4.1.1 功率MOSFET模块 SK M 120 B 020 SEMIKRON器件 MOS技术 漏极电流等级（Tcase=25时的ID/A） 线路 A 单管 B 双管（半桥） D 六管（三相桥） M 两只MOSFET相背连接 漏极源极电压等级VDS/（V/10） 4.1.2 IGBT模块SEMITRANS SK M 100 G B 12 3 D L SEMIKRON器件 M MOS技术 D七单元模块（三相整流桥加IGBT斩波器） 集电极电流等级（Tcase=25时的IC/A） IGBT开关 线路 A 单只开关 AL 斩波器模块（IGBT加集电极端续流二极管） AR 斩波器模块（IGBT加发射极端续流二极管） AH 非对称H桥 AX 单只IGBT加集电极端串联二极管（反向阻断） AY 单只IGBT加发射极端串联二极管（反向阻断） B 两单元模块（半桥） BD 两单元模块（半桥）加串联二极管（反向阻断） D 六单元（三相桥） DL 七单元（三相桥加AL斩波器） H 单相全桥 M 两只IGBT在集电极端相联 集电极发射极电压等级VCE/（V/100） IGBT系列号 0 第一代产品（19881991，集电极额定电流为Tcase=80时值） 1、2 第一代产品（19921996，集电极额定电流为Tcase=25时值） 600V产品（集电极额定电流为Tcase=80时值） 3 第二代产品（600V和1200V，高密度NPT型IGBT） 1700V为第一代NPT型IGBT，CAL二极管 600V产品（集电极额定电流为Tcase=80时值） 1200V与1700V产品（集电极额定电流为Tcase=25时值） 4 高密度、低饱和压降NPT型IGBT（1200V、1700V） 5 高密度、高速NPT型IGBT（600V、1200V） 6 沟道式NPT型IGBT 特点 D 快恢复二极管 K SEMITRANS五号外壳带螺栓端子 L 六单元外壳带焊接端子 S 集电极检测端子 I 加强的反向二极管（高功率输出） 4.1.3 SEMITOP功率模块 SEMIKRON模块系列SEMITOP包含了带焊接端子的晶闸管、二极管、功率MOSFET和IGBT模块。下面将仅涉及到SEMITOP的晶体管部分。 SK 100 G B 12 3 x SEMIKRON器件 额定电流（A，Th=25） G IGBT开关 M MOSFET开关 线路 A 单只开关 AL 斩波器模块（IGBT或MOSFET加集电极端续流二极管） AR 斩波器模块（IGBT或MOSFET加发射极端续流二极管） AH 非对称H桥 B 两单元模块（半桥） D 六单元（三相桥） H 单相全桥 电压等级VCE/（V/100）或VDS/（V/100） IGBT系列号 2 PT型IGBT芯片（仅对600V产品） 3 高密度NPT型IGBT芯片 4 高密度、低饱和压降NPT型IGBT芯片 5 高密度、高速NPT型IGBT芯片 特点（未定义） 在上述SEMITOP的标识中没有给出IGBT中所包含的快恢复反向二极管。 4.2 新封装技术 今天，新型封装技术的主要发展方向如下： 1）散热能力和温度循环能力的改善； 2）通过合理的结构设计，降低模块内部的电感以及引线的电感； 3）高度灵活的封装与连接技术，简化用户方的装配； 4）更高的复杂度与集成度（完整的变流电路）； 5）集监视、保护和驱动功能为一体； 6）提供测试过的电气或电热系统。 下面举例所述的4种功率模块系列就是依据上述考虑和要求而开发的。如图35所示。 图35 SKiiPPACK的基本结构 4.2.1 SKiiPPACK 图35显示了一个SKiiPPACK（Semikron integrated intelligent Power Pack）的原理构造。 与传统的晶体管模块有所不同，在SKiiPPACK中，带有IGBT和二极管芯片的DCB基片不再是被焊接于一块铜底板上，而是借助一个合成材料的压力单元，将其几乎整个地直接压在散热器上。通过压接端子和低电感的引出线使得DCB与SKiiPPACK的功率端子形成电气连接，而功率端子是专为连接叠片式低电感集流铜排而设计的。在SKiiPPACK的封装内部还采用了一块金属板来做为压力元件以及与驱动电路之间的热屏蔽和电磁屏蔽。 与标准模块相比较，由于采用了并联多个相对较小的IGBT芯片并保证它们和散热器之间的良好接触，SKiiPPACK的热阻明显较小，热量得以均匀地分布在散热器上。 SKiiPPACK具有3种外形尺寸（2、3和4臂结构，GB、GAL或GAR线路）。通过调整每臂的芯片数量以及相匹配的驱动单元可以实现多种电压等级（600V、1200V、1700V）的电路结构，例如，两单元、H桥、六单元或七单元电路。目前，3300V的SKiiPPACK正处于研发状态。 图36举例说明了SKiiPPACK原理突出的灵活性。 （a）带铝板散热器的SKiiPPACK实物图 （b）六单元 （c）两单元（半桥） 图36 采用三只相同的DCB时，SKiiPPACK的可能组合 除了晶体管和二极管以外，在DCB上还集成了PTC（正温度系数）温度传感器。它的输出信号既可以被直接送入驱动器（限制温度）又可以被用来（在驱动器内被模拟放大后）计算散热器的温度。 位于SKiiPPACK交流端子处的电流传感器是用来防止IGBT过流和短路的。它的信号处理和传递是由SKiiPPACK内置的驱动器来完成的。驱动器位于压板之上，此外，由于电流信号不带电位，它还可以被用来做为外部控制电路测量元件的实测值。 与传统模块相比，SKiiPPACK具有以下的优点： 1）温度循环能力得到改善； 2）基于芯片DCB散热器之间的直接热传导，热阻降低； 3）可以实现非常紧凑的结构，功率密度高； 4）低电感设计，可以有效地降低开关过电压，换句话说，直流母线电压可以提高，干扰可以降低； 5）没有硬注入材料以及内部焊接，因而可以修理和回收； 6）内置的智能驱动器得以优化； 7）在制造地就可以进行整个系统的带载测试。 4.2.2 MiniSkiiP 针对小功率的领域，另一个新的发展方向是SEMIKRON的MiniSkiiP。它同样采用压力接触，具有特别灵活和安装简便的特点，其原理构造如图37所示。 图37 MiniSkiiP的原理构造 MiniSkiiP的基本组成部分是： 1）DCB绝缘基片，其上焊接了半导体芯片（例如，IGBT、MOSFET、二极管、晶闸管）以及其他元件（例如，电流和温度传感器、电阻和电容等）。芯片之间通过键接线连接； 2）含有连接弹簧并灌注了硅胶的外壳，外壳粘接在DCB上； 3）硬质塑料盖。 所有的电气以及至散热器的传热连接是通过一个或两个固定螺栓来实现的。该螺栓将MiniSkiiP顶盖、印刷线路板、MiniSkiiP和散热器连接在一起。在这里，MiniSkiiP的接触弹簧有着多重功能：一方面，它们提供了位于DCB上的功率半导体与位于印刷线路板上的其他电路之间的电气连接；另一方面，在装配好的状态下，它们也将压力传递给DCB，然后再传至散热器。 由于众多的弹簧分布在MiniSkiiP的整块面积之上，所以在器件和散热器之间的压力相当均匀，从而保证热阻较低。 在电流大于10A的情况下，弹簧可以并联使用。由于弹簧的位置可以改变，因此可以灵活地实现各种不同的电路，用于传动、电源技术或其他应用。 存在多种不同尺寸的外壳用于不同的功率范围。它们从MiniSkiiP1（电网额定电压至230V，额定电流至12A）起，一直延伸至MiniSkiiP8（电网额定电压至400V，额定电流至125A）。如图38所示。 图38 标准MiniSkiiP的型号与线路 在最大的MiniSkiiP封装（MiniSkiiP8）中，由于电流较大，接触弹簧被做成桶状。这样一来，在交流输出端还可以集成补偿式的电流传感器。如图39所示。 图39 带电流传感器的桶状弹簧（MiniSkiiP8） 在MiniSkiiP8中，为了避免热源太过于集中，整个电路被分开封装于两个外壳之中：其中之一包含了整流桥或半控整流桥以及制动斩波电路，而另一个则包含了三相逆变电路。 4.2.3 SEMITOP SEMITOP系列包含了3种外壳形式，如图40所示。 图40 不含底板的晶体管模块 像SKiiPACK和MiniSKiip一样，SEMITOP也属于不带底板的封装形式。通过一个特殊结构的塑料外壳，整块的DCB被直接压在散热器上。 模块和散热器之间的连接是通过一个或者两个紧固螺栓来实现的。与MiniSKiiP有所不同，SEMITOP与印刷线路板之间的连接是由两排可焊接的插脚式端子构成的。 在一个如此小的模块里最多可以集成12个功率器件。因此，SEMITOP特别适合空间紧凑场合的应用。另外，由于印刷线路板上介于焊接端子之间的面积可以不受限制地被应用，所以在这一点上SEMITOP优于类似技术的MiniSKiiP。 4.3 其他附属部分 下面，按集成度由低到高的顺序，将通过例子来简单介绍在功率模块中集成的附属功能。 4.3.1 传感IGBT模块 该类模块包含了在前面章节中描述过的传感IGBT。 与在发射极回路中并联电阻的方案相比，它的优点是可以选择较高的测量电阻。而与通过监测VCE的过流保护方式相比，它的死区时间很短，甚至可以没有。 4.3.2 内置温度传感器的模块 类似于分离式功率半导体器件中的TEMPFET，越来越多的模块里采用一个简单的表面贴片式PTC温度传感元件，从而提高了集成度，它被焊接在DCB陶瓷基片上靠近芯片的地方。 温度传感器指示了散热器上某一确定位置的温度。在理想情况下，可以忽略该点与最热芯片下的散热器区域之间的横向热流。驱动器上的一个转换电路可以在温升过高时直接动作或将模拟信号输出至控制器。 4.3.3 坚固耐用的模块 在IGBT管壳内集成了混合式的保护电路，用来保护IGBT在发生错误时免于失效。与传统的IGBT一样，这类模块的外部特性是由驱动器所决定的。保护电路装置仅在故障发生后才开始发挥作用，使短路电流得以限制。 4.3.4 IPM（智能功率模块） 在IPM模块中，除了集成的IGBT和续流二极管之外，还集成了驱动和保护单元（最基本的IPM结构），直至逆变器的控制单元。由于用户不再可以调节器件的开关和通态特性，所以IPM常常是为特定的应用而设计的。 4.3.5 SKiiPPACK（SEMIKRON集成智能功率模块） 在上节中曾经提到过的SKiiPPACK包含了驱动单元，由一块表面贴片的印刷线路板组成，并集成了所有必要的保护和监视功能。驱动板的位置在压板之上（见图35）。 控制信号（CMOS或TTL信号）及其电源可以直接出自它们的控制系统。在SKiiPPACK的驱动器内，已经包含了所有必要的电位隔离，一个开关电