導(dǎo) 讀
以新
能源發(fā)電和工業(yè)驅(qū)動(dòng)為代表的大功率應(yīng)用需要可靠、可擴(kuò)展、大功率密度、低雜散電感功率模塊。為了滿(mǎn)足這些需求，已經(jīng)被認(rèn)可并取得成功的HVIGBT LV100封裝被引入工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用。
1、LV100概念
以風(fēng)電
變流器、集中式太陽(yáng)能逆變器和工業(yè)驅(qū)動(dòng)為代表的應(yīng)用需要大功率密度、高可靠性、可擴(kuò)展功率范圍的標(biāo)準(zhǔn)化1200V和1700V功率模塊。為了滿(mǎn)足這些要求，基于廣為熟知的HVIGBT LV100模塊的外形和內(nèi)部布局理念開(kāi)發(fā)了工業(yè)LV100封裝模塊。這一理念之所以令人信服，是因?yàn)樗坏跇?biāo)準(zhǔn)化封裝外形設(shè)計(jì)，同時(shí)還能夠具有最高的功率密度、易于并聯(lián)的可擴(kuò)展性、低雜散電感、適用于高速開(kāi)關(guān)器件(如SiC MOSFET)以及具有優(yōu)異的均流特性。結(jié)合最新的第7代IGBT和二極管高效芯片以及無(wú)熱循環(huán)失效SLC封裝技術(shù)，LV100模塊提供了最佳的整體性能。在1700V等級(jí)中，LV100模塊實(shí)現(xiàn)了1200A的額定電流。考慮其緊湊的封裝面積僅為144x100mm2，這代表了杰出的電流密度。圖1 全新工業(yè)級(jí)LV100封裝功率模塊
圖2 LV100產(chǎn)品一覽及規(guī)劃
2、LV100內(nèi)部布局
由于受到IGBT芯片尺寸限制，1200V/1700V級(jí)別的IGBT芯片最大電流規(guī)格一般為200A。因此，在大功率IGBT模塊中，經(jīng)常會(huì)使用多個(gè)芯片并聯(lián)以達(dá)到更大的電流規(guī)格。因此對(duì)于一個(gè)1200A的IGBT模塊，至少需要6個(gè)IGBT芯片并聯(lián)。在設(shè)計(jì)器件內(nèi)部布局時(shí)，必須考慮并聯(lián)芯片之間的電流平衡。電流的平衡分配對(duì)于平衡損耗及發(fā)熱顯得至關(guān)重要；不平衡的電流分配將導(dǎo)致特定芯片承擔(dān)最大的電流和最高的溫度，因而這將限制整個(gè)器件的性能和整個(gè)系統(tǒng)的壽命。連接到每個(gè)芯片的寄生阻抗顯著影響并聯(lián)芯片之間的電流平衡。如果每個(gè)芯片之間的寄生電感不一致，在IGBT開(kāi)關(guān)過(guò)程中就會(huì)出現(xiàn)動(dòng)態(tài)電流不平衡。模塊端子排列和芯片位置是影響寄生阻抗的主要因素。為了實(shí)現(xiàn)阻抗相等，從主端子到所有芯片的距離必須非常一致。這可以通過(guò)優(yōu)化主端子和芯片布局來(lái)實(shí)現(xiàn)，使其垂直于電流方向。如圖3所示[6]。在理想的模塊概念中，電流換流僅發(fā)生在Y方向(由藍(lán)色和紅色箭頭表示)，而主端子和芯片分布在與之垂直的X方向。通過(guò)這種方法，功率模塊就可以獲得相等的寄生阻抗。在開(kāi)發(fā)LV100布局時(shí)，已經(jīng)考慮到了這種理想布局，并實(shí)現(xiàn)了如圖4仿真結(jié)果所示的電流平衡。目前用于大功率工業(yè)驅(qū)動(dòng)或者新能源變換器領(lǐng)域的傳統(tǒng)模塊的主端子和芯片布局通常與電流方向平行。對(duì)于這種傳統(tǒng)模塊的設(shè)計(jì)，其對(duì)稱(chēng)的寄生阻抗是不可能實(shí)現(xiàn)的。由此產(chǎn)生的電流不平衡是傳統(tǒng)模塊的一個(gè)公認(rèn)的特點(diǎn)。對(duì)于諸如負(fù)載短路等情況，由于層疊母排中沒(méi)有電感耦合，不同芯片之間的不均勻雜散電感對(duì)這種傳統(tǒng)模塊的影響變得尤為顯著。
對(duì)于具有高dv/dt的快速開(kāi)關(guān)功率半導(dǎo)體器件，這種不同芯片之間雜散電感的差異將對(duì)均流效果產(chǎn)生極大的影響。因此，如果變換器設(shè)計(jì)工程師考慮將來(lái)會(huì)使用SiC器件，那么LV100封裝是一個(gè)不錯(cuò)的選擇，這是因?yàn)長(zhǎng)V100的布局理念同樣適用于SiC器件[8]。從而，只要進(jìn)行少量的改變和驗(yàn)證工作，就可以將功率器件由Si IGBT變換為SiC MOSFET。
圖3 功率半導(dǎo)體芯片布局對(duì)比
圖4 LV100封裝開(kāi)通波形均流效果仿真結(jié)果
3、無(wú)熱循環(huán)損壞封裝結(jié)構(gòu)
在大功率工業(yè)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用中，IGBT模塊會(huì)在負(fù)載波動(dòng)(或非連續(xù))的情況下經(jīng)歷熱循環(huán)[1]。風(fēng)電變流器通常采用水冷散熱，而水冷系統(tǒng)的熱時(shí)間常數(shù)一般為幾秒。因此，由于IGBT殼溫也將隨著負(fù)載條件的變化而快速波動(dòng)。這意味著在風(fēng)況變化的日子里，IGBT模塊基板將經(jīng)歷許多次熱循環(huán)。同樣，
光伏逆變器每天至少經(jīng)歷一次巨大的熱循環(huán)。考慮到部分變換器的使用壽命長(zhǎng)達(dá)25年，其使用的IGBT模塊必須能夠承受幾千次熱循環(huán)。傳統(tǒng)工業(yè)IGBT模塊采用多片陶瓷基板焊接到銅基板的散熱結(jié)構(gòu)，其熱循環(huán)能力有限。因此，在設(shè)計(jì)變換器時(shí)，必須將熱循環(huán)作為壽命限制參數(shù)。為了消除熱循環(huán)對(duì)壽命的限制，工業(yè)級(jí)LV100在開(kāi)發(fā)中選用SLC技術(shù)[2][3]。如圖5所示，傳統(tǒng)功率模塊的封裝結(jié)構(gòu)被IMB(絕緣金屬基板)與直接灌封樹(shù)脂組合所取代，其中絕緣層和灌封樹(shù)脂的熱膨脹系數(shù)與銅基板的熱膨脹系數(shù)相近似。采用這種相近的熱膨脹系數(shù)和消除焊接層，便實(shí)現(xiàn)了一種無(wú)熱循環(huán)失效的封裝結(jié)構(gòu)[5]。
圖5 SLC技術(shù)與熱循環(huán)測(cè)試結(jié)果
4、第7代1700V IGBT 芯片
第7代IGBT和二極管芯片具有優(yōu)化的結(jié)構(gòu)，比上一代產(chǎn)品更薄。此外，第7代IGBT通過(guò)對(duì)直流特性和開(kāi)關(guān)特性的適當(dāng)折衷進(jìn)行芯片設(shè)計(jì)[5]。我們利用三菱
電機(jī)的Melcosim[7]仿真軟件對(duì)大功率變換器在典型應(yīng)用條件下的器件損耗進(jìn)行了仿真研究。圖6給出了1200A/1700V LV100與A公司的傳統(tǒng)1400A/1700V模塊的結(jié)果對(duì)比。值得注意的是，在500Hz開(kāi)關(guān)頻率下，兩者損耗是相當(dāng)?shù)模蝗欢捎谄骷匦缘恼壑赃x擇與優(yōu)化的芯片結(jié)構(gòu)，二極管和IGBT的開(kāi)關(guān)損耗均得到顯著降低，因此對(duì)于高于500Hz開(kāi)關(guān)頻率的應(yīng)用場(chǎng)景，LV100具有更高的效率。例如，在5kHz的開(kāi)關(guān)頻率下，LV100可以降低損耗39%。這種損耗降低可以降低對(duì)冷卻系統(tǒng)的要求，從而降低逆變器的總成本，并實(shí)現(xiàn)更高的系統(tǒng)功率密度。
圖6 功率損耗對(duì)比: 1200A/1700V工業(yè)級(jí)LV100模塊 vs. 競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手A1400A/1700V傳統(tǒng)模塊
5、結(jié) 論
一種全新的大功率IGBT模塊(工業(yè)用LV100)正在開(kāi)發(fā)中。該器件針對(duì)大功率應(yīng)用場(chǎng)景，如新能源領(lǐng)域和工業(yè)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)等，進(jìn)行了優(yōu)化。該器件的封裝尺寸與HVIGBT系列的LV100封裝保持一致，并將成為全新的市場(chǎng)認(rèn)可的標(biāo)準(zhǔn)封裝。SLC封裝技術(shù)實(shí)現(xiàn)了無(wú)熱循環(huán)失效的設(shè)計(jì)，從而大幅提高系統(tǒng)的可靠性。第7代IGBT芯片技術(shù)顯著降低了開(kāi)關(guān)損耗，使得500Hz以上開(kāi)關(guān)頻率應(yīng)用大為受益。器件內(nèi)部芯片對(duì)稱(chēng)布局提供了極小的雜散電感并確保各個(gè)芯片之間的均流效果。因此，該芯片布局可同時(shí)用于高速開(kāi)關(guān)的功率半導(dǎo)體器件。
