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

圖1 英飛凌1200v功率模塊

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

2 econopack^tm4——樹立新的封裝標準
econopack^tm4是一個六單元igbt模塊，包含測量溫度用的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，同時簡化了安裝步驟。從而可以實現(xiàn)相對扁平緊湊的逆變器結(jié)構(gòu)。
將門極驅(qū)動器置于模塊頂部優(yōu)化了門極驅(qū)動器連接。這種創(chuàng)新的模塊設計還考慮了逆變器設計成本，輔助端子采用了可靠的免焊接連接技術pressfit。在安裝過程中，在規(guī)定的力作用下，管腳被壓接進入驅(qū)動板實現(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。已有文章詳細闡述了超聲波焊接端子在可靠性和其他性能方面相對于如今使用的各種技術都有著顯著優(yōu)勢。

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體技術芯片：igbt4和emitter controlled 4二極管。英飛凌推出的全新1200v igbt4系列，結(jié)合改進型發(fā)射極控制二極管，針對高中低功率應用提供了三款產(chǎn)品，可面向不同應用滿足新型變頻器設計要求。成功開發(fā)全新芯片的兩個最重要的要素是實現(xiàn)低靜態(tài)和動態(tài)損耗。
econopack^tm4采用的igbt4-t4芯片具備快速開關特性，相對于前代igbt3-t3，開關損耗降低20%。損耗的降低有利于提高功率模塊的效率。
然而，只降低損耗還遠遠不夠。器件本身的開關特性也是一個重要因素。全新的igbt針對應用要求進行了優(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)設計目的，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，這對于充分體現(xiàn)igbt4-t4的優(yōu)勢至關重要。
除了軟特性，igbt的開關速度還取決于結(jié)溫。提高結(jié)溫意味著增強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模塊的關斷和開通特性。

圖4 導通和關斷econopack^tm4，
v_ce=600v，i_c=i_cnom，r_g=r_gnom，t_vj=25℃

其堅固性與眾所周知的前代產(chǎn)品igbt3相當。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，改進的封裝技術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標準模塊的功率循環(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 4二極管芯片技術優(yōu)勢。
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，此外，還在模塊上搭載了帶隔離功能的驅(qū)動電路。

4 mipaq^tm serve模塊
基于econopack^tm4模塊的mipaq^tm serve是一個6單元配置半導體模塊，并額外集成了驅(qū)動和控制電路。模塊包括了igbt的驅(qū)動，數(shù)字輸出的溫度檢測。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)動器和數(shù)字溫度測量裝置

除了通過對系統(tǒng)進行機械物理方面的改進提高可靠性之外，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)動輸入電源欠壓條件下，低壓檢測功能可保護模塊。
（2）igbt飽和電壓vcesat監(jiān)控功能可確保半導體對短路進行有效的保護。
（3）準確的溫度測量可使用戶更好地監(jiān)控穩(wěn)態(tài)熱狀況。
（4）采用pressfit技術連接驅(qū)動板與模塊。
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。這將會對產(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（clt）的eicedriver^tm驅(qū)動器1ed020112-f。
“econopack^tm4”和“mipaq^tm serve”等全新產(chǎn)品采用相同的新技術，如pressfit壓接技術、超聲波焊接技術和最新的igbt及二極管芯片技術。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。econobridge^tm4半控整流橋的出現(xiàn)將進一步豐富擁有600v、1200v和1700v等不同電壓等級的econopack^tm4模塊。

參考文獻（略）