MiniSKiiP® IPM——面向中等功率應(yīng)用的先進(jìn)模塊架構(gòu)

    對于低功率的應(yīng)用，如輸出功率小于2kW的電機(jī)，集成模塊在過去十年中取得了很大的市場份額，在很大程度上取代了采用分立元件的解決方案。在這一功率范圍內(nèi)，IPM（智能功率模塊）這一通用術(shù)語主要是指焊在引線框架上并采用壓注模處理進(jìn)行封裝的集成了驅(qū)動器的三相逆變器電路。

    對于大高功率的應(yīng)用，散熱性能必須增強(qiáng)；然而，這對于上述封裝類型來說難以實(shí)現(xiàn)。尤其那些為更高功率應(yīng)用開發(fā)的IPM是基于將驅(qū)動器安裝在一塊傳統(tǒng)電路板(PCB)上的方式，且PCB集成在經(jīng)典模塊內(nèi)；但是，這些模塊需要復(fù)雜的內(nèi)部連接技術(shù)，并且還必須解決為驅(qū)動器組件提供充分冷卻這一問題。

    對于中等功率的應(yīng)用，如輸出功率為2-15kW的電機(jī)、CIB模塊（整流器-變頻器-制動器），在過去幾年已獲得了堅(jiān)實(shí)的市場基礎(chǔ)。CIB是一種有效的解決方案，它將所有具有高散熱要求的功率開關(guān)管組合在一起構(gòu)成一個(gè)單一模塊。用在CIB解決方案中的MiniSKiiP^®模塊已經(jīng)被證明是特別成功的，因?yàn)樗鼈儗⒂脩粲押玫慕M裝概念和先進(jìn)的封裝技術(shù)結(jié)合在了一起。

    在面向中等功率驅(qū)動器的解決方案中，由于采用了集成驅(qū)動器的概念，使MiniSKiiP^® IPM成為一款先進(jìn)的智能功率模塊。本文在解釋這個(gè)概念之前先簡要介紹這種封裝技術(shù)的特點(diǎn)。

無基板模塊

    功率模塊所使用的常規(guī)封裝技術(shù)是基于一塊是堅(jiān)固的銅板，其功能是作為整個(gè)模塊組件的基板。這些基板通常2 – 3mm厚，會帶來一些問題 [1] ：由基板和陶瓷功率基板的熱膨脹系數(shù)不同所導(dǎo)致的-陶瓷功率基板是由銅/陶瓷/銅制成的復(fù)合板，因其制造工藝而被稱為DBC（直接敷銅），焊接后在焊層產(chǎn)生一定的應(yīng)力，造成整個(gè)系統(tǒng)發(fā)生強(qiáng)烈的彎曲。彎曲在組裝層產(chǎn)生空洞，這會在模塊中帶來嚴(yán)重的熱效應(yīng)。雖然一個(gè)設(shè)計(jì)合適的基板有助于減少這種空洞，可是，由于焊料的粘塑性，隨著時(shí)間的推移，將會產(chǎn)生松弛，從而使彎曲發(fā)生改變。因此，無法確定任何特定時(shí)刻的基板最佳形狀。

    10多年前，因?yàn)檫@些因素，所以開發(fā)了無基板封裝解決方案。在此種解決方案中，焊層和基板本身不再作為熱量通往散熱器的途徑。如果采用了一個(gè)合適的壓力系統(tǒng)在基板和散熱器之間提供一個(gè)小間隙，由因缺少基板進(jìn)行熱擴(kuò)散所造成的弊端，幾乎可以由減小熱涂層的厚度來彌補(bǔ)。

    相比之下，無基板模塊重量的減輕對于移動應(yīng)用中的逆變器系統(tǒng)具有明顯的優(yōu)勢。

彈簧觸點(diǎn)

    用戶友好的模塊組裝方式主要是由于模塊連接的技術(shù)來體現(xiàn)。在MiniSKiiP^®模塊中，彈簧觸點(diǎn)技術(shù)用于負(fù)載和控制的接觸。對于用戶，這意味著能夠帶來一些好處：無需額外組裝設(shè)備就能將模塊與PCB相連；PCB僅僅是放在模塊和壓蓋之間；當(dāng)模塊安裝到散熱器上時(shí)，熱接觸和所有的電氣連接一步完成。第二個(gè)好處是有可能在任何給定的時(shí)間完成拆卸——從而進(jìn)一步體現(xiàn)這項(xiàng)技術(shù)的服務(wù)便利性。與采用過孔技術(shù)的焊接連接不同，彈簧觸點(diǎn)技術(shù)還大大簡化了PCB的布局。

    彈簧觸點(diǎn)的使用也提供了一種模塊設(shè)計(jì)方面的優(yōu)勢。事實(shí)上，彈簧觸點(diǎn)的啟用增強(qiáng)了設(shè)計(jì)的靈活性，這意味著在DBC上可以相對自由的布置觸點(diǎn)的位置。這使得開發(fā)工程師可以通過設(shè)置觸點(diǎn)的位置來確保CIB具有最佳的動態(tài)電氣特性�？梢詼p少一些內(nèi)部連接的數(shù)量，從而增強(qiáng)整體可靠性。如前所述，彈簧觸點(diǎn)技術(shù)可以更為靈活地進(jìn)行模塊的設(shè)計(jì)。在模塊外殼內(nèi)部，通過在軸上采用不同的彈簧配置，可以在很容易地一個(gè)或相同模塊系列中實(shí)現(xiàn)不同的版本。

    MiniSKiiP^® IPM中，彈簧觸點(diǎn)的位置能被調(diào)整，從而實(shí)現(xiàn)所有必要的負(fù)載和控制接觸（圖1）。在組裝過程中壓在印刷電路板上面的一個(gè)封邊圍繞具有相同電位范圍的彈簧觸點(diǎn)，以及整個(gè)觸點(diǎn)區(qū)，從而可減小環(huán)境對模塊的影響。

圖. 1: 600 V MiniSKiiP^® CIB IPM

    MiniSKiiP^®彈簧的持續(xù)電流承載能力為20A，受焦耳定律的限制。在一塊MiniSKiiP^® IPM中，負(fù)載觸點(diǎn)由三個(gè)平行的彈簧組成，從而使有效連續(xù)電流為60A 。

    雖然彈簧觸點(diǎn)的優(yōu)勢現(xiàn)在得到了相對廣泛的認(rèn)可，但在有關(guān)極端條件下的長期可靠性方面仍存在一些保留，這些極端條件在電力電子應(yīng)用中并不少見。采用插件連接器所帶領(lǐng)的消極經(jīng)驗(yàn)強(qiáng)化了這些保留，插件連接器可能會在小電流和電壓方面產(chǎn)生問題。

    與此相反，MiniSKiiP^®模塊中所使用的彈簧觸點(diǎn)與標(biāo)準(zhǔn)商業(yè)插件連接器有很大的不同，再者它還能提供一個(gè)非常大的接觸力。采用標(biāo)準(zhǔn)插頭連接器，接觸力是有限的，因?yàn)檫^高的接觸力也會造成了插拔連接器所需的力也相應(yīng)增加了。插件連接器的典型接觸壓力是在10N/mm²范圍內(nèi)。

    有了MiniSKiiP^®彈簧觸點(diǎn)，組裝的過程中將模塊壓在散熱器上的螺絲所帶來的接觸力情況就大不相同了。在組裝過程中，彈簧接觸面的壓力范圍為20-100N/mm²。傳統(tǒng)模塊中，負(fù)載連接和直流環(huán)節(jié)母線間的典型螺絲連接的壓力約為50N/mm² 。因此彈簧觸點(diǎn)和螺絲連接更具可比性，而非傳統(tǒng)的插件連接器[2] 。

    因?yàn)槊總�(gè)彈簧的接觸力在4-6 N之間，如在MiniSKiiP^®模塊中 ，銀被選為首選的觸點(diǎn)鍍層材料。長期廣泛的調(diào)查已經(jīng)確認(rèn)這種接觸表面具有高度的可靠性，并且適用于具有SnPb表面的PCB，以及符合RoHS指令的化學(xué)錫、熱風(fēng)整平(HAL)錫和鎳/鍍金(ENIG)的表面。唯一不建議采用彈簧觸點(diǎn)的印刷電路板表面處理方式是有機(jī)表面保護(hù)(OSP) 。

SOI 驅(qū)動器

    帶有高電壓集成電路(HVIC)的MiniSKiiP^®被稱為CIB IPM模塊。它的優(yōu)勢是：增大了集成度和增強(qiáng)了易用性。

    這里所用的HVIC平臺是600V SOI加工技術(shù)。SOI技術(shù)相對絕緣pn結(jié)概念的優(yōu)勢在于相對較小的漏電流。此外，所有活動組件電介質(zhì)絕緣保證了免受閉鎖效應(yīng)的影響，在絕緣PN結(jié)的HVIC中閉鎖效應(yīng)可能導(dǎo)致故障并最終燒毀逆變器。最后， SOI技術(shù)可使HVIC在高達(dá)200 ℃的工作溫度下運(yùn)行 ，這使得這項(xiàng)技術(shù)適合于應(yīng)對未來電源模塊的工作溫度要求。

    HVIC的工作電壓在12V和17V之間，控制成對互鎖的三個(gè)TOP和三個(gè)BOT開關(guān)，以防止它們同時(shí)開啟，以及第四個(gè)用于制動斬波器或 PFC電路的BOT開關(guān)。輸入都兼容TTL或3.3V CMOS邏輯電路，信號輸入和輸出之間的延遲時(shí)間大約是300ns 。一個(gè)故障管理功能處理內(nèi)部故障（電壓不足）和外部故障（如過流檢測） ，并確保所有CIB開關(guān)都被關(guān)閉。

    然而，SOI驅(qū)動器的一個(gè)基本特征是先進(jìn)的電平轉(zhuǎn)換器概念，它可以很大程度上不受驅(qū)動器參考電壓變化的影響。在逆變器中，陡峭的電流斜坡發(fā)生在負(fù)載電流切換時(shí)，加上系統(tǒng)中的寄生電感，在IGBT的發(fā)射極和驅(qū)動器參考電壓之間產(chǎn)生電壓。這些電壓可以有兩種極性。根據(jù)不同的極性，柵極和發(fā)射極之間的電壓增加或減少。這就導(dǎo)致開關(guān)性能的變化。在不利的條件下，可能會導(dǎo)致開關(guān)不必要的開啟或關(guān)閉。在最壞的情況下，甚至可能導(dǎo)致逆變器損壞。此外，使用限流器監(jiān)測電流會導(dǎo)致驅(qū)動器參考電壓和IGBT發(fā)射極之間產(chǎn)生與負(fù)載相關(guān)的電壓漂移，這會導(dǎo)致類似的問題。

    在低功率IPM中，這些寄生電壓波動通常都非常低，不過，它們隨著功率的增大而增大，也就是說，隨著電流的增加，這種影響也變得更為嚴(yán)重。為此，開發(fā)了先進(jìn)的電平轉(zhuǎn)換器概念，可以在兩種電壓極性下為BOT和TOP開關(guān)對電壓的變化進(jìn)行補(bǔ)償。

    BOT電平轉(zhuǎn)換器的基本原理如圖 2a所示。在兩個(gè)獨(dú)立的傳輸通道上驅(qū)動一個(gè)TOP和一個(gè)BOT電平轉(zhuǎn)換器。電平轉(zhuǎn)換器是在每個(gè)路徑上帶額外二極管的常規(guī)靜態(tài)CMOS電平轉(zhuǎn)換器。根據(jù)原邊和副邊間電平轉(zhuǎn)換的極性，TOP或BOT電平轉(zhuǎn)換器被用于信號轉(zhuǎn)換，而其他級別的電平轉(zhuǎn)換器被反向二極管所阻擋。在副邊，所需要只是簡單的OR電路。

   TOP開關(guān)電平轉(zhuǎn)換器的實(shí)現(xiàn)（圖2b）更為復(fù)雜，因?yàn)闆]有阻斷電壓為600V 的P-MOS晶體管可供使用。由于這個(gè)原因，采用了基于高壓nDMOS和高阻斷二極管的脈沖信號轉(zhuǎn)換。脈沖轉(zhuǎn)換可減少橫向電流，從而減少開關(guān)損耗。

圖. 2: BOT 開關(guān) (a) and TOP 開關(guān) (b)雙極性電平轉(zhuǎn)換器的電路圖

    在TOP和BOT開關(guān)控制中采用雙極性電平轉(zhuǎn)換器這一先進(jìn)概念，使得驅(qū)動器可以免受參考電壓變化的影響，只受電平轉(zhuǎn)換器開關(guān)阻斷能力的限制。在靜態(tài)電壓變化情況下，電平轉(zhuǎn)換器的功能由圖3a和圖3b中的信號特征來體現(xiàn)，電壓變化分別為+20V和-20V。動態(tài)電壓變化也很容易補(bǔ)償，如圖4a所示。此處，二次側(cè)驅(qū)動信號的特征幾乎是理想的，盡管在發(fā)射極電壓和驅(qū)動器參考電壓之間引入了噪聲信號。

圖. 3: 參考電壓在+20V (a) 和 -20V (b)之間變化時(shí)，600V SOI 驅(qū)動器的特性

     圖4b顯示的是SOI驅(qū)動器的布局，用以說明單獨(dú)通道。圖中也能看到用于TOP開關(guān)雙極性電平轉(zhuǎn)換器的高阻斷DMOS晶體管和二極管。

圖. 4a:  動態(tài)參考電壓因噪聲信號干擾產(chǎn)生波動時(shí)，600V SOI 驅(qū)動器的特性

圖. 4b: 驅(qū)動器輸出級的視圖

集成SOI驅(qū)動器的MiniSKiiP^® IPM  

    HVIC直接安裝CIB功率模塊的DBC上。通過這種方式，可使信號路徑短，從而使驅(qū)動器路徑的寄生特性�。▓D5 ） 。

圖. 5: 集成SOI驅(qū)動器的MiniSKiiP^® CIB IPM 的DBC

    DBC 由兩塊帶0.38mm氧化鋁陶瓷層的0.2mm銅層組成。導(dǎo)電跡線和0.4mm的絕緣溝道對于分配驅(qū)動器控制信號是必需的。

    組裝過程的第一步是焊接功率組件和溫度傳感器。然后使用導(dǎo)電膠集成HVIC和SMD柵極電阻。功率組件的上層觸點(diǎn)使用300μm厚的鋁焊線連接，而驅(qū)動器的連接使用50μm鋁焊線。然后電路嵌入軟硅膠，基板插入已安裝觸點(diǎn)彈簧的模塊外殼中 。模塊組裝完成后，軟硅膠已被處理了。

    直接將驅(qū)動器安裝在DBC上的一個(gè)重要的優(yōu)勢是良好的散熱性能。事實(shí)上，一塊4.9mm x 3.1mm的驅(qū)動器芯片的熱阻大約為4K/W。與之相比，在傳統(tǒng)SOP28殼體中，尺寸幾乎相同的芯片的熱阻大約是75K/W。低熱阻允許驅(qū)動器的輸出級可以有更大的功率。雖然第一臺原型機(jī)在輸出電壓為15V時(shí)，輸出電流為500mA，下一代產(chǎn)品的輸出電流可以增加一倍，從而為中等功率應(yīng)用帶來更好的芯片控制。

總結(jié)

    新的600V SOI HVIC是一款在中等功率應(yīng)用中用于電源開關(guān)控制的 7通道驅(qū)動器。由于它采用了先進(jìn)的雙極性電平轉(zhuǎn)換器概念，這款新驅(qū)動器可提供可靠的控制且抗干擾。將此款驅(qū)動器與現(xiàn)有的用戶能夠方便進(jìn)行組裝的功率模塊進(jìn)行集成，就會形成CIB IPM，它為中等功率應(yīng)用指定了新的標(biāo)準(zhǔn)。

參考文獻(xiàn)

[1]   U.Scheuermann, P.Beckedahl: The Road to the Next Generation Power Module – 100% Solder Free Design, Proc. CIPS 2008, ETG-Fachbericht 111, 111-120, Nürnberg, 2008.

[2]   F.Lang, U.Scheuermann: Reliability of Spring Pressure Contacts under Environmental Stress, Microelectronics Reliability 47 (2007), 1761-1766.

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