1 引言
基于最新技術(shù)的功率半導(dǎo)體器件已經(jīng)進(jìn)入了越來越多的應(yīng)用領(lǐng)域?？稍偕茉聪到y(tǒng)通過功率半導(dǎo)體進(jìn)行發(fā)電就是其中的一例。自動(dòng)化系統(tǒng)通過這一技術(shù)進(jìn)步，這使得它們的功耗更低，噪聲更少，重量更輕，體積更小。所有這些應(yīng)用都需要具備更高功率密度的先進(jìn)半導(dǎo)體系統(tǒng)。此類功率模塊的決定性要素是出色的可靠性、堅(jiān)固性和長使用壽命。

圖1 英飛凌1200v功率模塊

振動(dòng)條件下的堅(jiān)固性和可靠性不僅是牽引應(yīng)用關(guān)注的焦點(diǎn)，同時(shí)也越來越多地成為工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的驅(qū)動(dòng)應(yīng)用的關(guān)注焦點(diǎn)。工程師在開發(fā)新的功率模塊時(shí)，必須滿足這些日益提高的要求。在很大程度上，模塊的構(gòu)造和半導(dǎo)體器件的功率量級(jí)決定了所采用的連接技術(shù)。
為了滿足30kw的驅(qū)動(dòng)器和ups應(yīng)用的要求，管腳采用焊接技術(shù)的econopack^tm和econopim^tm模塊改變了封裝結(jié)構(gòu)。而對(duì)于功率75kw以上的應(yīng)用，2000年初推出的econopack^tm+模塊已經(jīng)成為了功率模塊的新標(biāo)準(zhǔn)。這些econo功率模塊為逆變器設(shè)計(jì)工程師設(shè)計(jì)出緊湊型逆變器創(chuàng)造了條件。
基于這些econo模塊的成功和日益增長的應(yīng)用要求，英飛凌開發(fā)出面向22kw至75kw應(yīng)用的全新功率模塊（見圖1）。
這種新的igbt模塊即為圖2所示的econopack^tm4。

2 econopack^tm4——樹立新的封裝標(biāo)準(zhǔn)
econopack^tm4是一個(gè)六單元igbt模塊，包含測(cè)量溫度用的ntc電阻器。
該封裝基于econo結(jié)構(gòu)原理，采用了扁平幾何結(jié)構(gòu)。由于額定功率高于econopack^tm和econopim^tm模塊，其主要端子都采用螺絲連接。這些功率端子采用與英飛凌的econopack^tm+類似的結(jié)構(gòu)，模塊的一側(cè)的螺絲端子與直流母線連接，另一側(cè)螺絲端子連接交流輸出端。
這種模塊的高度僅為17mm，不僅大幅降低了所需的空間，同時(shí)簡化了安裝步驟。從而可以實(shí)現(xiàn)相對(duì)扁平緊湊的逆變器結(jié)構(gòu)。
將門極驅(qū)動(dòng)器置于模塊頂部優(yōu)化了門極驅(qū)動(dòng)器連接。這種創(chuàng)新的模塊設(shè)計(jì)還考慮了逆變器設(shè)計(jì)成本，輔助端子采用了可靠的免焊接連接技術(shù)pressfit。在安裝過程中，在規(guī)定的力作用下，管腳被壓接進(jìn)入驅(qū)動(dòng)板實(shí)現(xiàn)氣密連接。如需要，press-fit管腳也可靈活地使用焊接工藝。
在模塊的內(nèi)部，功率端子和輔助端子采用超聲波焊接方式與dcb連接。已有文章詳細(xì)闡述了超聲波焊接端子在可靠性和其他性能方面相對(duì)于如今使用的各種技術(shù)都有著顯著優(yōu)勢(shì)。

圖2 集成ntc的六單元配置econopack^tm4

圖3 1200v econopack^tm4產(chǎn)品

3 英飛凌全新第四代igbt4-t4和emitter controlled 4二極管
該模塊采用了最新的半導(dǎo)體技術(shù)芯片：igbt4和emitter controlled 4二極管。英飛凌推出的全新1200v igbt4系列，結(jié)合改進(jìn)型發(fā)射極控制二極管，針對(duì)高中低功率應(yīng)用提供了三款產(chǎn)品，可面向不同應(yīng)用滿足新型變頻器設(shè)計(jì)要求。成功開發(fā)全新芯片的兩個(gè)最重要的要素是實(shí)現(xiàn)低靜態(tài)和動(dòng)態(tài)損耗。
econopack^tm4采用的igbt4-t4芯片具備快速開關(guān)特性，相對(duì)于前代igbt3-t3，開關(guān)損耗降低20%。損耗的降低有利于提高功率模塊的效率。
然而，只降低損耗還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。器件本身的開關(guān)特性也是一個(gè)重要因素。全新的igbt針對(duì)應(yīng)用要求進(jìn)行了優(yōu)化。igbt4-t4擁有比低功率igbt3-t3芯片略好的軟特性，而igbt-e4擁有比中功率igbt3-e3芯片略好的軟特性。根據(jù)設(shè)計(jì)目的，e系列軟特性要高于t系列。由于結(jié)合采用超聲波焊接和模塊內(nèi)部的母排結(jié)構(gòu)，模塊大幅降低了內(nèi)部寄生電感，這對(duì)于充分體現(xiàn)igbt4-t4的優(yōu)勢(shì)至關(guān)重要。
除了軟特性，igbt的開關(guān)速度還取決于結(jié)溫。提高結(jié)溫意味著增強(qiáng)igbt的軟特性。必須給出器件在低溫條件下（如25℃）的特性。圖4顯示了在t_vjop=25℃條件下1200v/150a econopack^tm4igbt模塊的關(guān)斷和開通特性。

圖4 導(dǎo)通和關(guān)斷econopack^tm4，
v_ce=600v，i_c=i_cnom，r_g=r_gnom，t_vj=25℃

其堅(jiān)固性與眾所周知的前代產(chǎn)品igbt3相當(dāng)。如圖5所示（fs150r12pt4），igbt4-t4能夠經(jīng)受短路沖擊。

圖5 sc1和sc2，v_ce=900v，v_ge≤15v，
r_g=r_gnom，t_p≤10μs，t_vj=25℃

igbt4技術(shù)可使芯片最大工作結(jié)溫(t_vjop=150℃)比前代產(chǎn)品的工作結(jié)溫（125℃）提高25度。在相同的冷卻條件下，工作結(jié)溫越高意味著輸出功率越大。此外，如圖6所示，改進(jìn)的封裝技術(shù)顯著改善了模塊的功率循環(huán)（pc）能力。這至少能確保在工作結(jié)溫增大的情況下，輸出電流增大，但功率器件壽命不變。

圖6 1200v標(biāo)準(zhǔn)模塊的功率循環(huán)(pc)可靠性圖和搭載igbt4的econopack模塊（ton≈1秒，i≈inom）的典型使用壽命

這種全新的功率半導(dǎo)體通過提高芯片最高工作結(jié)溫（tvjop=150℃），提高了逆變器輸出功率。全新的igbt econopack^tm4產(chǎn)品系列首先推出阻斷電壓為1200v的模塊，具備100a、150a和200a的額定電流。所有1200v econopacktm4模塊都具備全新igbt4-t4和emitter controlled 4二極管芯片技術(shù)優(yōu)勢(shì)。
mipaq^tm serve是基于econopack^tm 4封裝而集成度更高的產(chǎn)品。mipaq^tm serve模塊具備econopack^tm4所有優(yōu)勢(shì)，此外，還在模塊上搭載了帶隔離功能的驅(qū)動(dòng)電路。

4 mipaq^tm serve模塊
基于econopack^tm4模塊的mipaq^tm serve是一個(gè)6單元配置半導(dǎo)體模塊，并額外集成了驅(qū)動(dòng)和控制電路。模塊包括了igbt的驅(qū)動(dòng)，數(shù)字輸出的溫度檢測(cè)。見圖7、圖8。

圖7 mipaq^tm serve模塊

圖8 mipaq^tm serve模塊基于econopack^tm4封裝，采用1200v 6單元配置，集成igbt驅(qū)動(dòng)器和數(shù)字溫度測(cè)量裝置

除了通過對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行機(jī)械物理方面的改進(jìn)提高可靠性之外，所采用的電路還提供了更多特性，使模塊變得更加可靠。
（1）在驅(qū)動(dòng)輸入電源欠壓條件下，低壓檢測(cè)功能可保護(hù)模塊。
（2）igbt飽和電壓vcesat監(jiān)控功能可確保半導(dǎo)體對(duì)短路進(jìn)行有效的保護(hù)。
（3）準(zhǔn)確的溫度測(cè)量可使用戶更好地監(jiān)控穩(wěn)態(tài)熱狀況。
（4）采用pressfit技術(shù)連接驅(qū)動(dòng)板與模塊。
除了這些電氣特性，器件的選擇也最大程度提高了可靠性。例如，放棄使用光耦器件。驅(qū)動(dòng)器與功率電子元件之間的距離較短和產(chǎn)生的熱量將影響光耦器件的使用壽命。這將會(huì)對(duì)產(chǎn)品的長期可靠性造成不利影響。系統(tǒng)中沒有采用光耦器件，取而代之的是基于英飛凌無核變壓器技術(shù)（clt）的eicedriver^tm驅(qū)動(dòng)器1ed020112-f。
“econopack^tm4”和“mipaq^tm serve”等全新產(chǎn)品采用相同的新技術(shù)，如pressfit壓接技術(shù)、超聲波焊接技術(shù)和最新的igbt及二極管芯片技術(shù)。英飛凌提供的所有這些產(chǎn)品都非常符合功率電子裝置未來的發(fā)展趨勢(shì)。econobridge^tm4半控整流橋的出現(xiàn)將進(jìn)一步豐富擁有600v、1200v和1700v等不同電壓等級(jí)的econopack^tm4模塊。

參考文獻(xiàn)（略）