新型結(jié)構(gòu)IGBT功率模塊

新型結(jié)構(gòu)IGBT功率模塊一flowPHASElowPHASE、變頻器、寄生電感1引言在中大功率變頻器的設(shè)計(jì)中，IGBT模塊已經(jīng)得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。但由于現(xiàn)有IGBT模塊繼承了以前大功率晶閘管的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，仍然采用螺栓式的連接方法。造成的問(wèn)題一是寄生電感大，EMI問(wèn)題嚴(yán)重；二是由于必須通過(guò)銅排進(jìn)行連接，成本高。泰科電子（Tyco）針對(duì)以上問(wèn)題，推出了新型結(jié)構(gòu)的IGBT功率模塊：flowPHASE0,如圖1所示。它是基于Powerflow的設(shè)計(jì)理念進(jìn)行設(shè)計(jì)，寄生電感小，而且非常方便布線；另外在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上繼續(xù)采用Clipin技術(shù)，使得電路板，功率模塊和散熱器的連接更加簡(jiǎn)單可靠。flowPHASE0家族的模塊是半橋結(jié)構(gòu)，現(xiàn)有產(chǎn)品可以覆蓋變頻器15kW到30kW的應(yīng)用。圖1flowPHASE0IGBT模塊示意圖2PCB布線對(duì)于模塊本身的設(shè)計(jì),結(jié)構(gòu)的緊湊性很重要,但是更重要的是如何合理的布局模塊的管腳。泰科flowPHASE0模塊在結(jié)構(gòu)布局上具有以下特點(diǎn),如圖2所示。圖2全橋逆變使用示意圖模塊內(nèi)部電流流距短；模塊內(nèi)部強(qiáng)弱電隔離分布；?在模塊內(nèi)部芯片布局時(shí)，綜合考慮了外部PCB布線的簡(jiǎn)易性;模塊符合UL認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)。這些特點(diǎn)使得模塊在實(shí)際應(yīng)用時(shí)具有以下優(yōu)點(diǎn)：?功率線短，方便布線且寄生電感??；?只要兩層電路板就可以滿(mǎn)足要求；?輸入，輸出功率線沒(méi)有交叉，電磁兼容性好；?門(mén)極驅(qū)動(dòng)管腳靠近驅(qū)動(dòng)電路，驅(qū)動(dòng)特性好；?使得變頻器緊湊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成為可能。3寄生電感在高頻應(yīng)用場(chǎng)合中，寄生電感是造成IGBT關(guān)斷過(guò)電壓，關(guān)斷損耗增加的罪魁禍?zhǔn)?。因?yàn)樵陉P(guān)斷IGBT時(shí)，由于電流突變，會(huì)在寄生電感上感應(yīng)出一個(gè)電壓。這個(gè)電壓疊加在直流母線電壓上造成關(guān)斷電壓尖峰具體原理如下式所示：VCE(peak)=VCE+Lxdi/dt其中寄生電感L是直流母線上電流流過(guò)IGBT所包圍的面積的等效電感，如下圖3所示。圖3寄生電感示意圖所以對(duì)于變頻器設(shè)計(jì)者來(lái)說(shuō)，如何有效降低回路中的寄生電感就顯得非常重要。flowPHASE0模塊由于按照Powerflow的設(shè)計(jì)理念進(jìn)行設(shè)計(jì)，模塊內(nèi)部寄生電感小。另外它的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)使得用戶(hù)可以在PCB正反兩面疊加布置直流母線，這樣可以大大降低直流母線電壓正負(fù)端的距離，從而減小回路面積，降低模塊外部寄生電感。4熱特性考慮到模塊應(yīng)用上的高功率密度，模塊內(nèi)部使用了直接銅熔結(jié)(DCB-DirectCopperBonding)陶瓷基板。對(duì)于通用型模塊，flowPHASE0使用了三氧化二鋁(A12O3)陶瓷基板，對(duì)于高性能產(chǎn)品，使用了氮化鋁(A1N)陶瓷基板，它的導(dǎo)熱性能要比Al2O3好五倍以上。為了降低整個(gè)IGBT模塊的功率損耗，模塊內(nèi)部使用了最新的低損耗型溝槽柵場(chǎng)終止芯片。另外由于flowPHASE0是半橋結(jié)構(gòu)模塊，通過(guò)分散放置，可以有效降低中心熱點(diǎn)的溫度，改善模塊的熱特性，最大化的利用散熱器，具體如圖4所示。

圖4全橋、半橋模塊散熱熱點(diǎn)溫度示意圖5安裝IGBT模塊結(jié)構(gòu)上最脆弱的地方在管腳上，為了有效防止在焊接過(guò)程，安裝過(guò)程以及實(shí)際使用時(shí)，模塊管腳上承受過(guò)大的拉力或者震動(dòng)力，flowPHASE0模塊在結(jié)構(gòu)上采用了Clipin技術(shù)，完美的實(shí)現(xiàn)了模塊，電路板和散熱器的有效固定，具體如圖5所示。圖5Clipin原理6結(jié)束語(yǔ)泰科公司(Tyco)flowPHASE0模塊提供了低寄