1 引言
當(dāng)功率模塊集成到逆變器平臺時，必須要考慮熱、電和機(jī)械方面的制約。primepacktm封裝提供了igbt功率開關(guān)和逆變器外圍之間一個實用的接口。該文詳細(xì)地說明了primepacktm模塊集成到逆變器中的過程，并吸收了modstacktm[2]逆變器的設(shè)計經(jīng)驗。
介紹了modstacktm逆變器系列模塊的設(shè)計概念。通過單元并聯(lián)提高輸出電流能力，用優(yōu)化冷卻概念改善了每個單元所用散熱面積的利用率，并降低了熱阻。
驅(qū)動和控制電路通過不同的方式實現(xiàn)，我們推薦兩種集成度不同的解決方案，并討論了每種驅(qū)動結(jié)構(gòu)的優(yōu)點。
igbt模塊輸出電流能力會制約整個逆變器的功率密度。分析了極端的單脈沖條件下的安全開關(guān)。最大結(jié)溫是igbt開關(guān)運行的限制因素。primepacktm封裝將igbt工作結(jié)溫提高到150℃，并給出了在苛刻條件下逆變器性能和電流利用率的情況。
2 逆變器結(jié)構(gòu)：調(diào)制率和控制功能
由于功率轉(zhuǎn)換電路的基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)非常相似，因此由功率元件組成的模塊化系統(tǒng)將是多樣化的。制造商能夠靈活地構(gòu)建系統(tǒng)，將注意力集中在自己的核心競爭力上。功率變換解決方案認(rèn)同的設(shè)計套件modstacktm是由用于熱管理、電氣與機(jī)械互連以及控制與功率單元接口的oem（初始設(shè)備制造廠）元件組成。用modstacktm組件能實現(xiàn)不同的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，擴(kuò)展系統(tǒng)功率范圍。
通過選擇適合的igbt半橋模塊，能實現(xiàn)最常用的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（b6u+b6i、b6i+b6u等）。為了確保高達(dá)1070v的電壓下能夠安全工作，功率單元的直流鏈接電路使用了高電壓電解電容。監(jiān)控單元能提供信息來檢測相電流、直流電壓、通態(tài)電壓和散熱器溫度等4個參數(shù)，以滿足各種不同的應(yīng)用。并用igbt驅(qū)動器核（eicedrivertm）來組裝。圖1給出單個逆變器用的各種功能元件。
圖1 用primepacktm igbt半橋模塊組裝的模塊化modstacktm功率單元
modstacktm能夠利用4個機(jī)械平臺。在平臺內(nèi)，機(jī)械設(shè)計是固定的，因此只能使用機(jī)械接口相同、額定值不同的電氣元件來實現(xiàn)不同的設(shè)計。為了節(jié)省設(shè)計和制造的成本，按工業(yè)界認(rèn)可的機(jī)殼，設(shè)計了模塊的疊層系統(tǒng)，并采用強(qiáng)制風(fēng)冷或水冷方式。
正如圖1所示，安裝了多達(dá)4個modstacktm單元的并聯(lián)電路板，連結(jié)成平行結(jié)構(gòu)，可達(dá)到最大程度的擴(kuò)展。并聯(lián)是將各個功率單元的相電流相加。為了確保整個系統(tǒng)的電氣連接平衡，所有的電氣連接、功率母線和機(jī)械接口都是對稱的。此外，所有逆變器單元平分等于冷卻的功率。這樣必須降低額定因數(shù)。并聯(lián)設(shè)置能夠使每個單元輸出95%的額定功率。
modstacktm最初是為ihm模塊設(shè)計的，現(xiàn)在也適用于primepacktm封裝（圖2）。兩種封裝（primepack2tm：169×86mm2和primepack3tm：247×86mm2）的底座是兼容。它們在模塊調(diào)測時可利用的。
圖2 按照圖1的結(jié)構(gòu)，裝有primepack2tm的modstacktm功率單元
模塊化的功率電子設(shè)計需要合理的監(jiān)視和控制架構(gòu)來輔助。多達(dá)4個相同的單元可以并聯(lián)在一起。每個單元按圖3所示的流程產(chǎn)生和處理不同的監(jiān)控信號。當(dāng)超過功率單元的設(shè)定限制時，單元將被關(guān)斷并產(chǎn)生相應(yīng)的故障信號。系統(tǒng)控制的電氣接口部分有濾波器和良好的接地。為了抑制控制器的噪聲電平，還提供了一個光學(xué)接口單元（參見圖１）。
圖3 監(jiān)控信號流程和控制板功能
為了迅速地對過溫故障信號進(jìn)行響應(yīng)，用快速模擬電路來計算虛擬芯片溫度。為了考慮散熱器溫度、輸出電流、直流線電壓和開關(guān)頻率等參量，用圖４所示的邏輯陣列來組合。
圖4 用簡化模型把ths、iuvw、fsw和vdc組合到一起
來計算芯片溫度tvj,si的快速模擬電路邏輯陣列
用過載保護(hù)邏輯來考慮故障的不同根源。表1列出3種在不同時間范圍內(nèi)引起系統(tǒng)關(guān)閉的過載情況。
表1 過載保護(hù)的機(jī)理
圖5 vcesat檢測回路在igbt退飽和后關(guān)斷波形（ch1=負(fù)載電流、ch2=igbt集電極電流、ch3=igbt門極電壓、ch4=igbt集電極電壓）
圖5示出通過vcesat監(jiān)測對有源過電流保護(hù)的實例。primepack2tm igbt ff600r17ie3在1.3μh電感的回路發(fā)生短路。dc鏈接電路的電壓為900v。半橋結(jié)構(gòu)上下兩相處于關(guān)斷狀態(tài)，900v直流電壓由igbt承受。在t1時刻，igbt導(dǎo)通，vce（ch4）下降，流過短路（ch2）的電流ic增大。在t2時刻，ic達(dá)到退飽和水平，被igbt穩(wěn)定在2ka。直流鏈線電壓全部加在igbt上。這一情況被vcesat檢測后，在2.8μs內(nèi)的t3時刻，短路被關(guān)斷。
3 風(fēng)冷散熱器的熱特性和優(yōu)化布局
primepacktm通過減小基板和散熱器之間的熱阻rthch來改善熱特性。由于primepacktm封裝采用矩形底座，固定基板與散熱器的螺絲間距可以很小，使元件之間總的接觸面積很大，因此，導(dǎo)熱脂的厚度dg<50μm。高熱導(dǎo)率λ=385w/mk的銅基板能確保有效地散熱。在實驗裝置中rthch是在水冷系統(tǒng)散熱器上測得的，從rthch的角度來講這是最差的結(jié)果，因為水冷系統(tǒng)比風(fēng)冷系統(tǒng)的散熱效果要差。
散熱器裝有的一套熱電偶能夠測量模塊基板溫度（tc）和內(nèi)部散熱器靠近表面的溫度（ths）。熱電偶按圖 6（tc1和yc2）所示方式放置在產(chǎn)生熱量的器件下方。
圖6 包括熱電偶位置的測量裝置剖面原理圖
測量裝置的整體幾何結(jié)構(gòu)沿圖6中的虛線對稱分布。如果能夠計算功率模塊中全部的功耗（pel），則用下面的公式來估算rthch：
研究了將模塊基板安裝到散熱器之前其上所使用導(dǎo)熱脂的多少對散熱的影響。所使用的是λ=1w/mk的導(dǎo)熱脂。先對primepacktm2封裝接著對igbt和二極管進(jìn)行測量，再將這兩個值并聯(lián)可計算出rthch。測試結(jié)果如圖7所示，其中rthch為導(dǎo)熱脂厚度dg*的函數(shù)。
得出的結(jié)果如下：
圖7 在安裝前測得的rthch和導(dǎo)熱脂厚度dg*之間的關(guān)系
如果用100μm厚間隔條確保在安裝后能滿足dg=100μm，則測得的值為rthch～10k/kw。這與我們簡單地假設(shè)只有絕緣襯底下的面積而不是整個基板參與熱交換時所得的計算值相近。
如果在安裝時沒有留出間隙，則得到的rthch值較小，且在dg*>50μm的范圍內(nèi)與所用導(dǎo)熱脂的多少幾乎無關(guān)。這是因為由于前面提到過安裝螺絲的間距很小，使得多余的導(dǎo)熱脂在安裝過程中被擠出。此外，在銅基板與散熱器之間所用安裝螺絲附近的金屬接觸部分起到了熱傳遞的作用，且其完全不依賴于導(dǎo)熱脂的厚度。通常，逆變器中primepacktm模塊的rthch對于在安裝過程中使用導(dǎo)熱膏的方法十分敏感。這樣的封裝形式使熱管理更加可靠。
在dg* <50μm條件下，rthch能達(dá)到4～5k/kw。隨著dg*的減小，熱阻不會降低到0。 即使導(dǎo)熱脂厚度小到可以忽略的程度，由于金屬表面之間存在接觸，仍然存在殘余的熱阻。
圖8 測量rthha的實驗裝置（直流電流流入固定在primepacktm基板上的電阻，基板被安裝在鋁制的風(fēng)冷散熱器上）
散熱器和周圍空氣間的熱阻由rthha值來表征，取決于igbt模塊是如何放置在散熱器表面的。為了找到最優(yōu)形狀，用具有明確定義熱源的電阻來測量rthha。正方形電阻模塊被固定到primepacktm的基板上作為參考（如圖8中把4個電阻放在長247mm的基板上）。使用參考模塊有如下好處：
● 精確定義耗散的熱量
● 測量的高重復(fù)性
● 簡單的裝置能夠快速評估不同布局的基板（如不需要母線）。
使用下式計算rthha
環(huán)境溫度ta在氣流的入口處測得。為了測量散熱器溫度ths，在散熱器表面磨出一些小槽來使熱電偶能靠近模塊基板。最熱點（最高的ths）通常處于靠近基板中心的位置，在rthha的公式中使用的就是用這一點的溫度。pel為每個primepacktm樣機(jī)上電阻的能耗。
為了能夠找到最優(yōu)形狀，簡單地對參考模塊進(jìn)行處理進(jìn)而改變布局。通常，模塊之間的間距以及模塊與散熱器邊沿的間距都應(yīng)盡可能地大。矩形模塊的縱軸與散熱器的鰭平行時比垂直時的熱積累和rthha值都要小。圖9為不同封裝模塊之間的比較。primepacktm3（247×86mm2）封裝具有最小值，因為它與散熱器（圖9中右側(cè)坐標(biāo)軸所示）的接觸面積最大。
圖9 風(fēng)冷散熱器上不同參考模塊，通過實驗得到的rthha的值
（表面=400×400mm2，高度=88mm）
4 驅(qū)動器與功率系統(tǒng)的接口設(shè)計和功能
模塊化igbt組件中所使用的驅(qū)動由eicedrivertm系列中的2ed300c17-s或2ed300c17-st構(gòu)成，其能提供電源、隔離控制信號以及短路保護(hù)。為了提高組件的模塊化程度、不同逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的靈活性和可變的輸出功率，每個igbt模塊都裝有適配板。與primepack2tm igbt半橋ff800r12ie4配套開發(fā)的適配板具有無源和有源兩種版本。
適配板主要用來確保驅(qū)動器和所控igbt之間具有簡單可靠的連接。此外，適配板還能夠?qū)崿F(xiàn)擴(kuò)展功能，使像門極電阻、飽和電壓檢測二極管和ge之間的電壓抑制二極管都盡可能靠近igbt門極，使在集電極－柵極之間有源鉗位系統(tǒng)有較低回路電感。primepacktm封裝輔助端子的布局簡化了安裝在模塊頂部驅(qū)動器電路板的布局。通過使用有源適配板，靠近柵極的驅(qū)動功率放大輸出級極大地減小了柵－發(fā)射極回路的寄生電感。低感性和快速輸出功率放大級設(shè)計不但能放大驅(qū)動器的控制信號，還能將此信號與來自有源電壓鉗位系統(tǒng)的反饋電流混合，并擴(kuò)展一些成熟方案，如對igbt關(guān)斷過電壓快速保護(hù)dvrc。
模塊內(nèi)部硅的結(jié)溫tvj受到功耗的影響。逆變器的設(shè)計必須保證功耗被均勻地分布到在所有工作的模塊上。這將受到驅(qū)動器與igbt模塊連接方式的影響。從如圖10a所示中看出當(dāng)用無源適配板時開通能量eon依賴于驅(qū)動器和igbt模塊之間電纜的長度。當(dāng)長度從7cm增加到50cm時，eon降低了32%。當(dāng)在較大的逆變器系統(tǒng)中結(jié)構(gòu)不能滿足每個外殼之間有相同的驅(qū)動-模塊間距時，這一不利因素的影響尤為嚴(yán)重。開通能量降低似乎對igbt有利，但由于二極管的恢復(fù)作用，更快的開關(guān)速度會使峰值電流有少量的增加（圖10b）。因此，要考慮到續(xù)流二極管內(nèi)部所產(chǎn)生較高的峰值功耗所引起的局部過熱。如果無源適配板被有源替代，eon和峰值電流imax將不依賴于門極電感。只能通過柵電阻來調(diào)節(jié)。
圖10 a/b(上/下) 開關(guān)參數(shù)eon(上)和imax(下)與連接igbt和驅(qū)動器電路板ff800r12ie4的電纜長度間的關(guān)系（udc=600v、ic=800a、tvj=25℃）
無源或有源適配板均能驅(qū)動primepacktm igbt。表2總結(jié)了兩種方案各自的優(yōu)點和缺點。
5 逆變器性能
在實驗室條件（vcc=900v、fsw=2.5khz、f0=50hz、cos(ф)=0、ta=24℃）下，對ff600r17ie3 primepack2tm模塊的modstacktm逆變器進(jìn)行了測量。熱測量表明如果用igbt模塊作為熱源，與第3節(jié)給出的結(jié)果相比，風(fēng)冷散熱器的rthha增大了15%，因此每個模塊的rthha為47k/kw。這是因為扁平電阻所產(chǎn)生的熱量比實際的igbt和二極管所產(chǎn)生熱量分布更加均勻。最大rms電流作為結(jié)溫tvj的函數(shù)。當(dāng)tvj，max=125℃（150℃）時，irms=380a（440a）。在440arms下，igbt運行達(dá)到其標(biāo)稱電流ic=600a。圖11為在運行逆變器上所記錄的關(guān)斷波形，證實了工作點能夠被成功地控制。
圖11 在vce=900v、ic=600a、tvj=145℃、irms=440a、rg=1.6時igbt的關(guān)斷波形，當(dāng)逆變器工作在2.5khz時記錄下的
基于測量的rth值和馬達(dá)驅(qū)動690vrms的應(yīng)用條件下，對primepacktm和ihm igbt模塊進(jìn)行比較。過流安全裕量為20%，持續(xù)時間為10s。由于primepacktm封裝的igbt模塊工作結(jié)溫最高能達(dá)到tvj=150℃。因此，在這一溫度條件下進(jìn)行相關(guān)計算，結(jié)果如圖12所示。
很明顯，最大結(jié)溫保持在125℃條件下，primepacktm有能力提供更高功率密度。假定tvj能升高到150℃，則irms能進(jìn)一步增大約25%。今后將集中在這一擴(kuò)展的溫度范圍內(nèi)對產(chǎn)品進(jìn)行驗證。為了確保安全運行，需要對溫度和過電壓進(jìn)行限制。為了在較高vdc和較快的開關(guān)速度條件下運行，模塊和逆變部分裝配須滿足小的雜散電感l(wèi)σ。
圖12 不同的1700v igbt模塊和額定電流下，modstacktm逆變器中可用的rms電流
primepacktm的特點就是有很小的內(nèi)部電感[1]。在modstacktm環(huán)境下，當(dāng)igbt導(dǎo)通時測量電流交換的感性壓降，雜散電感l(wèi)σ大約為42nh。
對于過電壓，由于較高開關(guān)速度，低溫運行時是很嚴(yán)酷的。圖13為在一定的vce和ic范圍內(nèi)的過壓情況。即使在最大的電流ic下，系統(tǒng)確保電壓仍安全地小于1700v。
圖13 在室溫、lσ=42nh下，沒有對vce進(jìn)行鉗位關(guān)斷時的vce,max
6 結(jié)論
首次將primepacktm igbt模塊集成到現(xiàn)有的逆變器組件中證明是安全可靠的。新型的功率模塊能對諸如熱管理或igbt驅(qū)動等重要問題進(jìn)行很好地優(yōu)化。實驗室測試證實了primepacktm具有輸出更高功率密度的潛力。當(dāng)產(chǎn)品在tvj=150℃的條件下工作時，將會發(fā)揮其最顯著的優(yōu)勢。
參考文獻(xiàn)
[1] o. schilling et. al., properties of a new primepacktm igbt module concept…, proc. of pcim, nuremberg, 2005.
：鞏經(jīng)理
：13915946763
：南京塞姆泵業(yè)有限公司
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