現代功率模塊及器件應用技術（4）

Ulrich Nicolai, Tobias Reimann 著 李毅，魏宇浩 譯

（賽米控國際公司）

　

4    SEMIKRON功率模塊

4.1    SEMIKRON功率模塊的命名方法

    制造商通過命名來標識其產品不同的功能、內部線路、電流和電壓限值以及其他說明。

    下面給出了SEMIKRON生產的MOSFET和IGBT模塊的命名規則。

4.1.1    功率MOSFET模塊

    SK     M    120    B    020

    ①    ②    ③    ④    ⑤

    ①    SEMIKRON器件

    ②    MOS技術

    ③    漏極電流等級（Tcase=25℃時的ID/A）

    ④    線路

          A    單管

          B    雙管（半橋）

          D    六管（三相橋）

          M    兩只MOSFET相背連接

    ⑤    漏極—源極電壓等級〔VDS/（V/10）〕

4.1.2    IGBT模塊SEMITRANS

    SK    M    100    G    B    12    3    D    L

    ①    ②   ③     ④   ⑤   ⑥    ⑦   ⑧   ⑧

    ①    SEMIKRON器件

    ②    M    MOS技術

          D七單元模塊（三相整流橋加IGBT斬波器）

    ③    集電極電流等級（Tcase=25℃時的IC/A）

    ④    IGBT開關

    ⑤    線路

          A    單只開關

          AL    斬波器模塊（IGBT加集電極端續流二極管）

          AR    斬波器模塊（IGBT加發射極端續流二極管）

          AH    非對稱H橋

          AX    單只IGBT加集電極端串聯二極管（反向阻斷）

          AY    單只IGBT加發射極端串聯二極管（反向阻斷）

          B    兩單元模塊（半橋）

          BD    兩單元模塊（半橋）加串聯二極管（反向阻斷）

          D    六單元（三相橋）

          DL    七單元（三相橋加AL斬波器）

          H    單相全橋

          M    兩只IGBT在集電極端相聯

    ⑥    集電極—發射極電壓等級〔VCE/（V/100）〕

    ⑦    IGBT系列號

          0    第一代產品（1988－1991，集電極額定電流為Tcase=80℃時值）

          1、2    第一代產品（1992－1996，集電極額定電流為Tcase=25℃時值）

                  600V產品（集電極額定電流為Tcase=80℃時值）

          3    第二代產品（600V和1200V，高密度NPT型IGBT）

                  1700V為第一代NPT型IGBT，CAL二極管

                  600V產品（集電極額定電流為Tcase=80℃時值）

                  1200V與1700V產品（集電極額定電流為Tcase=25℃時值）

          4    高密度、低飽和壓降NPT型IGBT（1200V、1700V）

          5    高密度、高速NPT型IGBT（600V、1200V）

          6    溝道式NPT型IGBT

    ⑧    特點

          D    快恢復二極管

          K    SEMITRANS五號外殼帶螺栓端子

          L    六單元外殼帶焊接端子

          S    集電極檢測端子

          I    加強的反向二極管（高功率輸出）

4.1.3    SEMITOP功率模塊

    SEMIKRON模塊系列SEMITOP包含了帶焊接端子的晶閘管、二極管、功率MOSFET和IGBT模塊。下面將僅涉及到SEMITOP的晶體管部分。

    SK    100    G    B    12    3    x

    ①    ②     ③  ④    ⑤    ⑥   ⑦

    ①    SEMIKRON器件

    ②    額定電流（A，Th=25℃）

    ③    G    IGBT開關

          M    MOSFET開關

    ④    線路

          A    單只開關

          AL    斬波器模塊（IGBT或MOSFET加集電極端續流二極管）

          AR    斬波器模塊（IGBT或MOSFET加發射極端續流二極管）

          AH    非對稱H橋

          B    兩單元模塊（半橋）

          D    六單元（三相橋）

          H    單相全橋

    ⑤    電壓等級〔VCE/（V/100）或VDS/（V/100）〕

    ⑥    IGBT系列號

          2    PT型IGBT芯片（僅對600V產品）

          3    高密度NPT型IGBT芯片

          4    高密度、低飽和壓降NPT型IGBT芯片

          5    高密度、高速NPT型IGBT芯片

    ⑦    特點（未定義）

    在上述SEMITOP的標識中沒有給出IGBT中所包含的快恢復反向二極管。

4.2    新封裝技術

    今天，新型封裝技術的主要發展方向如下：

    1）散熱能力和溫度循環能力的改善；

    2）通過合理的結構設計，降低模塊內部的電感以及引線的電感；

    3）高度靈活的封裝與連接技術，簡化用戶方的裝配；

    4）更高的復雜度與集成度（完整的變流電路）；

    5）集監視、保護和驅動功能為一體；

    6）提供測試過的電氣或電熱系統。

    下面舉例所述的4種功率模塊系列就是依據上述考慮和要求而開發的。如圖35所示。

圖35    SKiiPPACK的基本結構

4.2.1    SKiiPPACK

    圖35顯示了一個SKiiPPACK（Semikron integrated intelligent Power Pack）的原理構造。

    與傳統的晶體管模塊有所不同，在SKiiPPACK中，帶有IGBT和二極管芯片的DCB基片不再是被焊接于一塊銅底板上，而是借助一個合成材料的壓力單元，將其幾乎整個地直接壓在散熱器上。通過壓接端子和低電感的引出線使得DCB與SKiiPPACK的功率端子形成電氣連接，而功率端子是專為連接疊片式低電感集流銅排而設計的。在SKiiPPACK的封裝內部還采用了一塊金屬板來做為壓力元件以及與驅動電路之間的熱屏蔽和電磁屏蔽。

    與標準模塊相比較，由于采用了并聯多個相對較小的IGBT芯片并保證它們和散熱器之間的良好接觸，SKiiPPACK的熱阻明顯較小，熱量得以均勻地分布在散熱器上。

    SKiiPPACK具有3種外形尺寸（2、3和4臂結構，GB、GAL或GAR線路）。通過調整每臂的芯片數量以及相匹配的驅動單元可以實現多種電壓等級（600V、1200V、1700V）的電路結構，例如，兩單元、H橋、六單元或七單元電路。目前，3300V的SKiiPPACK正處于研發狀態。

    圖36舉例說明了SKiiPPACK原理突出的靈活性。

（a）帶鋁板散熱器的SKiiPPACK實物圖

（b）六單元

（c）兩單元（半橋）

圖36    采用三只相同的DCB時，SKiiPPACK的可能組合

    除了晶體管和二極管以外，在DCB上還集成了PTC（正溫度系數）溫度傳感器。它的輸出信號既可以被直接送入驅動器（限制溫度）又可以被用來（在驅動器內被模擬放大后）計算散熱器的溫度。

    位于SKiiPPACK交流端子處的電流傳感器是用來防止IGBT過流和短路的。它的信號處理和傳遞是由SKiiPPACK內置的驅動器來完成的。驅動器位于壓板之上，此外，由于電流信號不帶電位，它還可以被用來做為外部控制電路測量元件的實測值。

    與傳統模塊相比，SKiiPPACK具有以下的優點：

    1）溫度循環能力得到改善；

    2）基于芯片—DCB—散熱器之間的直接熱傳導，熱阻降低；

    3）可以實現非常緊湊的結構，功率密度高；

    4）低電感設計，可以有效地降低開關過電壓，換句話說，直流母線電壓可以提高，干擾可以降低；

    5）沒有硬注入材料以及內部焊接，因而可以修理和回收；

    6）內置的智能驅動器得以優化；

    7）在制造地就可以進行整個系統的帶載測試。

4.2.2    MiniSkiiP

    針對小功率的領域，另一個新的發展方向是SEMIKRON的MiniSkiiP。它同樣采用壓力接觸，具有特別靈活和安裝簡便的特點，其原理構造如圖37所示。

圖37    MiniSkiiP的原理構造

    MiniSkiiP的基本組成部分是：

    1）DCB絕緣基片，其上焊接了半導體芯片（例如，IGBT、MOSFET、二極管、晶閘管）以及其他元件（例如，電流和溫度傳感器、電阻和電容等）。芯片之間通過鍵接線連接；

    2）含有連接彈簧并灌注了硅膠的外殼，外殼粘接在DCB上；

    3）硬質塑料蓋。

    所有的電氣以及至散熱器的傳熱連接是通過一個或兩個固定螺栓來實現的。該螺栓將MiniSkiiP頂蓋、印刷線路板、MiniSkiiP和散熱器連接在一起。在這里，MiniSkiiP的接觸彈簧有著多重功能：一方面，它們提供了位于DCB上的功率半導體與位于印刷線路板上的其他電路之間的電氣連接；另一方面，在裝配好的狀態下，它們也將壓力傳遞給DCB，然后再傳至散熱器。

    由于眾多的彈簧分布在MiniSkiiP的整塊面積之上，所以在器件和散熱器之間的壓力相當均勻，從而保證熱阻較低。

    在電流大于10A的情況下，彈簧可以并聯使用。由于彈簧的位置可以改變，因此可以靈活地實現各種不同的電路，用于傳動、電源技術或其他應用。

    存在多種不同尺寸的外殼用于不同的功率范圍。它們從MiniSkiiP1（電網額定電壓至230V，額定電流至12A）起，一直延伸至MiniSkiiP8（電網額定電壓至400V，額定電流至125A）。如圖38所示。

 

 

圖38    標準MiniSkiiP的型號與線路

    在最大的MiniSkiiP封裝（MiniSkiiP8）中，由于電流較大，接觸彈簧被做成桶狀。這樣一來，在交流輸出端還可以集成補償式的電流傳感器。如圖39所示。

圖39    帶電流傳感器的桶狀彈簧（MiniSkiiP8）

    在MiniSkiiP8中，為了避免熱源太過于集中，整個電路被分開封裝于兩個外殼之中：其中之一包含了整流橋或半控整流橋以及制動斬波電路，而另一個則包含了三相逆變電路。

4.2.3    SEMITOP

    SEMITOP系列包含了3種外殼形式，如圖40所示。

圖40    不含底板的晶體管模塊

    像SKiiPACK和MiniSKiip一樣，SEMITOP也屬于不帶底板的封裝形式。通過一個特殊結構的塑料外殼，整塊的DCB被直接壓在散熱器上。

    模塊和散熱器之間的連接是通過一個或者兩個緊固螺栓來實現的。與MiniSKiiP有所不同，SEMITOP與印刷線路板之間的連接是由兩排可焊接的插腳式端子構成的。

    在一個如此小的模塊里最多可以集成12個功率器件。因此，SEMITOP特別適合空間緊湊場合的應用。另外，由于印刷線路板上介于焊接端子之間的面積可以不受限制地被應用，所以在這一點上SEMITOP優于類似技術的MiniSKiiP。

4.3    其他附屬部分

    下面，按集成度由低到高的順序，將通過例子來簡單介紹在功率模塊中集成的附屬功能。

4.3.1    傳感IGBT模塊

    該類模塊包含了在前面章節中描述過的傳感IGBT。

    與在發射極回路中并聯電阻的方案相比，它的優點是可以選擇較高的測量電阻。而與通過監測VCE的過流保護方式相比，它的死區時間很短，甚至可以沒有。

4.3.2    內置溫度傳感器的模塊

    類似于分離式功率半導體器件中的TEMPFET，越來越多的模塊里采用一個簡單的表面貼片式PTC溫度傳感元件，從而提高了集成度，它被焊接在DCB陶瓷基片上靠近芯片的地方。

    溫度傳感器指示了散熱器上某一確定位置的溫度。在理想情況下，可以忽略該點與最熱芯片下的散熱器區域之間的橫向熱流。驅動器上的一個轉換電路可以在溫升過高時直接動作或將模擬信號輸出至控制器。

4.3.3    堅固耐用的模塊

    在IGBT管殼內集成了混合式的保護電路，用來保護IGBT在發生錯誤時免于失效。與傳統的IGBT一樣，這類模塊的外部特性是由驅動器所決定的。保護電路裝置僅在故障發生后才開始發揮作用，使短路電流得以限制。

4.3.4    IPM（智能功率模塊）

    在IPM模塊中，除了集成的IGBT和續流二極管之外，還集成了驅動和保護單元（最基本的IPM結構），直至逆變器的控制單元。由于用戶不再可以調節器件的開關和通態特性，所以IPM常常是為特定的應用而設計的。

4.3.5    SKiiPPACK（SEMIKRON集成智能功率模塊）

    在上節中曾經提到過的SKiiPPACK包含了驅動單元，由一塊表面貼片的印刷線路板組成，并集成了所有必要的保護和監視功能。驅動板的位置在壓板之上（見圖35）。

    控制信號（CMOS或TTL信號）及其電源可以直接出自它們的控制系統。在SKiiPPACK的驅動器內，已經包含了所有必要的電位隔離，一個開關電源以及功率驅動部分。

    SKiiPPACK還包含了用于測量交流輸出電流的電流傳感元件和溫度傳感元件，而直流母線電壓的檢測可以通過一個可選的測量元件來實現。驅動器對這些傳感信號進行處理，進而實現過流或短路保護、過溫保護、過壓保護、以及欠壓保護，同時還可以輸出錯誤信號和一系列的模擬信號，如交流電流的實測值、散熱器的瞬時溫度以及直流母線電壓（可選）。這些信號可以被用于外環的控制。

    圖41顯示了OCP（過流保護）驅動器的原理，有關它的細節將在后面的章節內涉及。

圖41    OCP（過流保護）驅動原理

（未完待續）