IGBT模块 EconoPACKTM4--强健、可靠的下一代功率模块

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可靠性与能效是当今逆变器设计考虑的两个主要因素。英飞凌全新EconoPACK TM 4将强健的模块设计与全新高能效IGBT4和EmCon4二极管技术融合在一起。

基于最新技术的功率半导体器件进入了越来越多的应用领域[1, 2]。可再生能源系统利用半导体进行发电就是其中的一例。自动化系统也利用了这一技术进步，这使得它们的功耗更低，噪声更少，重量更轻，体积更小。所有这些应用都需要具备更高功率密度的先进半导体系统。此类功率模块的决定性要素是出色的可靠性、强健性和长使用寿命。

图1 英飞凌1200V功率模块

震动条件下的强健性和可靠性不仅是牵引应用关注的焦点，同时也越来越多地成为工业标准驱动应用关注的焦点。功率模块工程师在开发新产品时，必须满足日益提高的要求。在很大程度上，半导体器件的构造和功率级确定了所需的连接技术。

为了满足功率达30kW的驱动器和UPS应用的要求，EconoPACK TM 和EconoPIM TM模块（带可焊接管脚）改变了过去的封装结构。而对于功率高达75kW以上的应用，2000年初推出的EconoPACK TM+ 模块为功率模块树立了新标准。这些Econo功率模块为逆变器设计工程师设计出紧凑型逆变器创造了机会。

立足于这些Econo模块的成功和日益提高的应用要求，英飞凌开发出面向22kW至75kW应用的全新功率模块。

这种新的IGBT模块即为图2所示的EconoPACK TM 4。

EconoPACK TM 4——树立新封装标准

EconoPACK TM 4是一个六单元IGBT模块，包含测量温度用的NTC电阻器。

该封装基于Econo封装原理［3］，采用了独特的扁平几何结构。由于额定功率高于EconoPACK TM 和EconoPIM TM 模块，其主要端子都采用螺钉连接。这些功率端子采用所谓的直通（flow through）理念，与英飞凌的EconoPACK TM+ 类似，模块的一侧具备连接直流链路的螺钉端子，另一侧具备连接交流输出端的螺钉端子。

这种模块的高度仅为17mm, 大幅降低了所需的容积，同时简化了安装步骤。从而可以实现相对扁平的逆变器结构。

将栅极驱动器置于模块顶部使得可以优化栅极驱动器连接。该创新模块设计还在连接驱动器电路板PressFIT[6] 辅助端子时，通过采用可靠、少焊的压接方式，兼顾了逆变器系统成本。在安装过程中，采用规定的力量将控制管脚压接入驱动器电路板，实现气密连接。如需要，Press-FIT接头也可灵活地使用焊接工艺。

在模块的内部，功率端子和辅助端子采用超声波焊接方式与DCB连接。已有文章详细说明了超声焊接端子在可靠性和性能方面相对于如今使用的各种技术的显著优势[4、5]。

图2 集成NTC的六单元配置EconoPACK TM 4

图3 1200V EconoPACK TM 4产品

英飞凌全新第四代IGBT4-T4和EmCon4二极管

本器件采用了最新的半导体技术［1、2］：IGBT4和EmCon4二极管。英飞凌推出的全新1200V IGBT4系列，结合改进型发射极控制二极管，针对高中低功率应用提供了三款产品，可面向不同应用满足现代化变频器的要求。成功开发全新芯片的两个准则是实现低静态和动态损耗。

EconoPACKTM4 采用的IGBT4-T4芯片具备快速开关特性，相对于前代IGBT3-T3，开关损耗降低20%。损耗的降低有利于提高功率模块的效率。

然而，只降低损耗还远远不够。器件本身的开关特性也是一个重要问题。全新型号的IGBT针对应用要求进行了优化。IGBT4-T4拥有比低功率IGBT3-T3芯片略高的软度，而IGBT-E4拥有比中功率IGBT3-E3芯片略高的软度。按照设计目的，E系列软度明显高于T系列［1、7］。由于结合采用超声焊接和母线支架，模块大幅降低了寄生杂散电感，这对于充分利用IGBT4-T4的优势至关重要。

除了软度，IGBT的开关速度还取决于结温。提高结温意味着增大IGBT的软度。不过，必须给出器件在低温条件下（如25 °C）的适当特性。图4显示了在Tvjop=25 °C条件下1200V/150A EconoPACK TM 4 IGBT模块的关断和导通特性。


图4：导通和关断EconoPACK TM 4 , VCE=600V，IC=ICnom, RG=RGnom, Tvj=25°C

图5：SC1和SC2，VCE=900V，VGE≤15V，RG=RGnom, tp≤10μs, Tvj=25°C


其强健性与众所周知的前代产品IGBT3相当。如图5所示（FS150R12PT4），IGBT4-T4能够经受未经保护的短路。

IGBT4技术可使芯片最大工作结度(Tvjop=150°C)比前代产品的工作结温（125°C）高出25度。在相同的冷却条件下和整个温度范围内，工作结温越高，输出功率越大。此外，如图6所示，优化的组装技术显著改善了功率循环（PC）周期。这至少能确保在工作结温增大的情况下，输出电流增大，但功率器件寿命不变。


图6：1200V标准模块的功率循环（PC）可靠性图和搭载IGBT4的EconoPACK模块（Ton≈1秒， I≈Inom）的典型使用寿命

这种全新的功率半导体经过优化，提高了工作结温（ Tvjop=150°C），改善了逆变器特性，同时提高了逆变器输出功率。全新的IGBT EconoPACKTM4 产品系列阻断电压为1200V，具备100A、150A和200A额定电流。所有1200V EconoPACKTM4器件都具备全新IGBT4-T4和EmCon4二极管芯片技术优势。

MIPAQTM serve模块已开始采用集成度更高的 EconoPACKTM4封装。MIPAQTM serve模块具备EconoPACKTM4所有优势，此外，还搭载电流隔离式驱动器。

MIPAQTM serve模块
采用EconoPACKTM4封装的MIPAQTM serve是一个6单元配置半导体模块，并额外集成了驱动和数字温度测量功能。

除了通过对功率电子装置进行机械方面的改进提高可靠性之外，所采用的结构还提供了更多特性，使模块变得更加可靠。

MIPAQTM serve模块


图注：
power supply: 电源 galvanic isolation: 电流隔离 SC protection: 短路保护  UV protection: 欠压保护 Analog to digital converter:模数转换器 3 phase output: 三相输出 Load:负载

图7： MIPAQTM serve模块基于EconoPACKTM4封装，采用1200V 6单元配置，集成IGBT 驱动器和数字温度测量装置

1.    在欠压条件下，低压检测功能可保护模块
2.    IGBT饱和电压VCEsat监控功能可确保半导体短路保护效率
3.    准确的温度记录可使用户定义静态热状况
4.    采用PressFIT技术连接驱动器与模块

除了这些电气特性，器件的选择也最大程度提高了可靠性。例如，放弃使用光耦合器组件即证明了这一点。驱动器与功率电子元件之间的距离较短和产生的热量将影响光耦合器的使用寿命。这将会对产品的长期可靠性造成不利影响。不采用光耦合器，改用基于英飞凌无芯变压器技术（CLT）的电流隔离耦合器，构成EiceDriverTM部件1ED020112-F[8]的内核。

“EconoPACKTM 4”和“MIPAQTM serve”等全新产品采用相同的新技术，如PressFIT压接技术、超声波焊接技术和最新的IGBT及二极管芯片技术。英飞凌提供的所有这些产品都非常符合功率电子装置未来的发展趋势。EconoBRIDGETM 4半控制输入整流器的出现将进一步丰富拥有600V、1200V和1700V等不同电压等级的EconoPACKTM 4模块。