1 引言
功率模塊的性能在相當(dāng)程度上依賴于兩個(gè)重要因素:功率回路的低電感布局和驅(qū)動(dòng)器。

由于mosfet和igbt是高速開關(guān)器件，因此與其相關(guān)的直流母線回路應(yīng)保持最小的漏感和最小的尺寸。這反過來又要求功率模塊的連接端子具有合理的布局。一個(gè)接口友好的igbt模塊可以在很大程度上簡(jiǎn)化功率回路設(shè)計(jì)的復(fù)雜程度，達(dá)到事半功倍的效果。

驅(qū)動(dòng)器的主要功能是控制功率模塊的開通和關(guān)斷。此外，驅(qū)動(dòng)器還應(yīng)該具備監(jiān)控和異常保護(hù)功能。目前，對(duì)于功率電子設(shè)計(jì)者而言，功率芯片和驅(qū)動(dòng)器的接口設(shè)計(jì)仍然是一個(gè)熱點(diǎn)話題。市場(chǎng)需要一個(gè)關(guān)于模塊和驅(qū)動(dòng)器的整體優(yōu)化解決方案。

1992年，skiip技術(shù)出現(xiàn)于市場(chǎng)。在skiip(智能功率模塊)的設(shè)計(jì)中，正、負(fù)直流端子緊緊靠在一起，與交流輸出端子分列于模塊的兩端。這種結(jié)構(gòu)既在最大程度上減小了直流回路的寄生電感，又便于輸入輸出銅排的機(jī)械連接。skiip技術(shù)創(chuàng)造了一種接口友好的igbt封裝。

skiip將igbt開關(guān)、驅(qū)動(dòng)電路及散熱器集成在一起，有著使用簡(jiǎn)單，運(yùn)行可靠的特點(diǎn)，但其沉重的散熱器在某種程度上限制了其應(yīng)用的靈活性。而目前仍占有大部分市場(chǎng)的傳統(tǒng)型igbt模塊，則由于其接口的問題，其功率回路的低電感設(shè)計(jì)存在著不少難點(diǎn)。新見于市場(chǎng)的semix模塊，便是從解決這些難點(diǎn)出發(fā)，綜合skiip技術(shù)與傳統(tǒng)型模塊的優(yōu)點(diǎn)而被推出的一種新型模塊。semix的特點(diǎn)是主回路接口簡(jiǎn)捷單一，控制接口靈活多變，功率等級(jí)寬廣(200-900a)且易于并聯(lián)擴(kuò)展[1]。

此外，作為選項(xiàng)的低成本驅(qū)動(dòng)芯skyper在電氣和機(jī)械特性上都與semix相匹配，為semix提供最基本的驅(qū)動(dòng)和保護(hù)功能。這樣，semix+skyper的組合就具備了智能功率模塊的功能。其超越智能功率模塊的地方, 在于這種組合提供了真正的電氣隔離, 而且它的開關(guān)特性可以由用戶獨(dú)立調(diào)控，從而為各種不同的應(yīng)用提供了最大的靈活性。

2 semix的結(jié)構(gòu)和特性
圖1列出了不同長(zhǎng)度的semix模塊的外形圖。圖1中所示的控制接口是可焊接的管腳式連接。(由上至下:semix 2, 3, 4)

圖1 不同長(zhǎng)度的semix模塊

由于市場(chǎng)越來越傾向于結(jié)構(gòu)緊湊的功率電子系統(tǒng)，igbt模塊的外形尺寸也越來越小。因此，semix將主回路端子的高度設(shè)計(jì)為17mm。在模塊內(nèi)部，對(duì)正、負(fù)端子與igbt芯片之間的連接進(jìn)行了優(yōu)化，以期取得最小的連接電阻值與電感值。

semix的兩個(gè)直流端子位于模塊的同一端，便于直流母線電容與igbt模塊的連接。采用層疊狀的銅排系統(tǒng)可以將銅排電感降低到最小。交流端子位于模塊的另一端，這種直流、交流端子的分離式設(shè)計(jì)很自然地提供了直流與交流的電氣絕緣距離。另外，主回路端子的這種設(shè)計(jì)排列允許將驅(qū)動(dòng)器置于模塊的頂端。這就減小了驅(qū)動(dòng)器與模塊之間的引線長(zhǎng)度，使整個(gè)系統(tǒng)更加緊湊。

同主回路端子位于頂部的模塊相比較, 直流母線銅排與電容通過側(cè)面的端子與模塊相連接, 其對(duì)模塊的機(jī)械應(yīng)力要小得多。這有助于提高模塊工作的可靠性。特別是在振動(dòng)工作環(huán)境下, 這一優(yōu)點(diǎn)顯得尤為突出[2]。必要時(shí), 還可以在母線與模塊端子之間采用柔性連接, 進(jìn)一步緩解模塊的機(jī)械受力。

semix系列的另一優(yōu)勢(shì)在于其寬廣的功率范圍。semix可以提供三種安裝尺寸:semix 2、semix 3和 semix 4，額定電流從200a到900a(以1200v模塊為例)。每個(gè)模塊內(nèi)部分別包括了2個(gè)、3個(gè)或4個(gè)并聯(lián)的半橋，沿長(zhǎng)度方向展開(參見圖2)。模塊外部?jī)啥说慕Y(jié)構(gòu)與尺寸則完全相同。因此，單一的機(jī)械結(jié)構(gòu)可以接納不同長(zhǎng)度的模塊，實(shí)現(xiàn)不同的輸出功率。

圖2 由四個(gè)半橋單元構(gòu)成的semix 4內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

由于主回路由兩端出線, semix的頂部便提供了安裝驅(qū)動(dòng)器的最佳位置。驅(qū)動(dòng)器更加靠近芯片, 驅(qū)動(dòng)回路的電感得以進(jìn)一步減小。此外，模塊頂蓋的出線方式也極其靈活 (圖3)。有通常的集中式即插接口, 與其它制造商的模塊兼容。還有分布式彈簧接口。它不僅安裝簡(jiǎn)易, 可靠性高, 還可以對(duì)模塊內(nèi)并聯(lián)的igbt半橋單元通過獨(dú)立設(shè)置的柵極端子分別控制。這對(duì)模塊并聯(lián)運(yùn)行時(shí)的動(dòng)態(tài)均流及消除震蕩有特別幫助, 為模塊并聯(lián)的首選接口。最后，用戶可選擇匹配的驅(qū)動(dòng)芯skyper, 從而模塊一躍而成為ipm。

圖3 semix的基本封裝與可選接口

3 skyper—標(biāo)準(zhǔn)版驅(qū)動(dòng)芯
功率電子系統(tǒng)的品質(zhì)不僅僅由功率半導(dǎo)體器件所決定，它還與系統(tǒng)的不同功能單元－例如功率部分和驅(qū)動(dòng)部分之間的相互作用有著極大的關(guān)聯(lián)。因此，一個(gè)優(yōu)化的驅(qū)動(dòng)器是不可或缺的。這里，優(yōu)化意味著在功能、靈活性和低成本等因素之間權(quán)衡。這催生了驅(qū)動(dòng)芯的概念[3]。在skyper里，僅僅集成了柵極驅(qū)動(dòng)過程中最核心的功能:信號(hào)傳遞、電氣隔離以及短路保護(hù)。這種由最少的功能構(gòu)成的驅(qū)動(dòng)芯帶給了用戶寬廣的靈活性和經(jīng)濟(jì)的成本。圖4展示了skyper的實(shí)物圖。

圖4 skyper - 驅(qū)動(dòng)芯的外觀圖

skyper僅在一次側(cè)需要一個(gè)+15v的穩(wěn)壓電源，它在二次側(cè)的+15v/-8v電壓由內(nèi)部的隔離式dc/dc變換器產(chǎn)生。上、下橋臂igbt所需要的控制信號(hào)和驅(qū)動(dòng)能量都通過脈沖變壓器進(jìn)行傳遞。除了絕緣能力(4kv)強(qiáng)以外，脈沖變壓器還能夠承受二次側(cè)高達(dá)50kv/μs的dv/dt，所以有著很強(qiáng)的抗干擾能力。另外，skyper還集成了短脈沖抑制、死區(qū)發(fā)生器、欠壓監(jiān)控、vce監(jiān)控以及故障記憶與反饋等功能。

vce監(jiān)控功能是igbt最重要的保護(hù)措施。它位于二次側(cè)，用來檢測(cè)負(fù)載或橋臂處所發(fā)生的短路。igbt的集電極－發(fā)射極通態(tài)電壓由一個(gè)快速高壓二極管采集到驅(qū)動(dòng)器，并與參考值作比較。當(dāng)vce的采集值高于參考值時(shí)，igbt就會(huì)被關(guān)掉，同時(shí)故障記憶置位指示故障?；趇gbt的快速飽和過程，保護(hù)線路可以在短路發(fā)生后的數(shù)個(gè)微秒內(nèi)關(guān)斷igbt。為避免誤動(dòng)作，在igbt開通過程中，vce檢測(cè)要一直延遲到igbt完全飽和后才開始生效[4]。

一次側(cè)的其他功能是由一只專用的集成電路(asic)來完成的[5]。這些功能包括:
·短脈沖抑制
·脈沖整形
·欠壓監(jiān)控
·故障檢測(cè)、記憶及輸出
·死區(qū)時(shí)間與互鎖
·dc/dc變換器控制
在一片asic中集成的以上功能可用于處理雙通道(半橋)信號(hào)。在此基礎(chǔ)上，只需要少量的分立器件就可以構(gòu)成驅(qū)動(dòng)芯。這里，分立元件的大大減少意味著提高了驅(qū)動(dòng)電路的可靠性，從而提高了整個(gè)系統(tǒng)的可靠性。

4 skyper pro—增強(qiáng)版驅(qū)動(dòng)芯
增強(qiáng)版驅(qū)動(dòng)芯(skyper pro)是在上述標(biāo)準(zhǔn)版的基礎(chǔ)上，為skyper的高級(jí)應(yīng)用而設(shè)計(jì)的。除了包含標(biāo)準(zhǔn)版的所有特點(diǎn)之外，skyper pro還提供了新的、可擴(kuò)展的功能塊。圖5顯示了skyper驅(qū)動(dòng)芯標(biāo)準(zhǔn)版與增強(qiáng)版的方框圖，其中增強(qiáng)版中新增的功能用斜體字表示。

圖5 skyper方塊圖(skyper pro中新增的功能由斜體表示)

在skyper pro的二次側(cè)電路中，增加了一個(gè)故障輸入信號(hào)，用于外部過溫或過流保護(hù)。另外，在短路發(fā)生時(shí)，一個(gè)附加的保護(hù)電路能夠以較慢的速度關(guān)斷igbt(軟關(guān)斷)。這種軟關(guān)斷所引起的過壓尖峰較小，尤其在極限條件下可以更好地保護(hù)器件。

在圖6中，對(duì)分別采用硬關(guān)斷與軟關(guān)斷所產(chǎn)生的過壓尖峰進(jìn)行了比較。受試模塊是semix703gb126hd，當(dāng)采用增強(qiáng)版軟關(guān)斷功能時(shí)，可以在高達(dá)900v的直流電壓下關(guān)斷被短路的igbt。

圖6 采用 skyper及skyper pro的短路關(guān)斷過程
(受試模塊為 semix703gb126hd)

在skyper pro中，對(duì)一次側(cè)及二次側(cè)的電壓都進(jìn)行了監(jiān)控，以取得更全面的保護(hù)。另外，skyper pro的死區(qū)時(shí)間可以調(diào)整，上、下橋臂igbt的互鎖功能也可以開啟或關(guān)閉。

5 接口板:選擇控制參數(shù)
由于驅(qū)動(dòng)芯只提供驅(qū)動(dòng)器中最重要的通用功能，因此它在不同的應(yīng)用中與不同模塊的連接需要依靠接口板來完成。圖7展示了semix-skyper組合的裝配圖。整個(gè)模塊－驅(qū)動(dòng)單元包括了一個(gè)具有彈簧接口的功率模塊、一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)版或增強(qiáng)版驅(qū)動(dòng)芯以及連接驅(qū)動(dòng)芯到指定模塊(此處為semix 3)的接口板(圖7(a))。直流、交流端子的分離式設(shè)計(jì)給變頻器帶來的清晰布局則在圖7(b)所示的實(shí)例中得以體現(xiàn)。

圖7 semix-skyper 裝配圖

可以用戶化的接口板有一個(gè)突出的優(yōu)點(diǎn):用戶可以自己調(diào)整并決定igbt的開關(guān)特性，例如:通過調(diào)整rgon或rgoff來改變開通或關(guān)斷的速度;調(diào)整死區(qū)時(shí)間或禁止互鎖功能(增強(qiáng)版); 調(diào)整vce保護(hù)點(diǎn)和窗口時(shí)間等等。與目前市場(chǎng)上的智能功率模塊相比較，接口板使得整個(gè)系統(tǒng)變得更加靈活，更易于適應(yīng)不同的應(yīng)用。而一旦系統(tǒng)參數(shù)被設(shè)定后，整個(gè)系統(tǒng)可以如同ipm一樣使用方便。

semix與接口板的電氣連接是通過semix模塊中內(nèi)置的彈簧與接口板底層的觸點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)的。裝配完成后，接口板的觸點(diǎn)觸壓模塊的彈簧觸點(diǎn)，通過壓力接觸完成電氣連接。與焊接技術(shù)相比，觸壓提高了功率模塊的可靠性[6]。同樣，驅(qū)動(dòng)芯與接口板的插拔式連接也是為了避免焊接。

semix模塊內(nèi)部每一個(gè)并聯(lián)的半橋都有距自己很近的獨(dú)立的柵極－輔助發(fā)射極彈簧接觸端子(參照?qǐng)D3和圖7a)。這種控制端子的分散式布局便于柵極的單獨(dú)控制。從而，在不同的電路結(jié)構(gòu)和應(yīng)用中，可以對(duì)器件的短路特性與開關(guān)損耗進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化[2]。而在模塊并聯(lián)運(yùn)行時(shí),又可以取得更好的動(dòng)態(tài)均流效果及減輕震蕩。分離的柵極控制為大電流系統(tǒng)的控制提供了一種新的方法。

6 驅(qū)動(dòng)能力
skyper可以驅(qū)動(dòng)所有semix igbt模塊，其單脈沖輸出的的電荷總量可達(dá)6.4μc。

根據(jù)被驅(qū)動(dòng)的功率半導(dǎo)體器件的特性，skyper輸出的最大開關(guān)頻率如圖8所示。針對(duì)不同模塊的驅(qū)動(dòng)參數(shù)匹配可以通過調(diào)整接口板上的柵極電阻值來實(shí)現(xiàn)。

圖 8 skyper的輸出能力

輸出的最大開關(guān)頻率(fmax)可以由下式計(jì)算:

其中: ioutavmax:最大輸出平均電流
qge: 被驅(qū)動(dòng)的模塊所需的柵極電荷

7 結(jié)束語
一種簡(jiǎn)單的驅(qū)動(dòng)芯skyper可以被用來在不同的應(yīng)用中高度靈活地驅(qū)動(dòng)各種igbt模塊。當(dāng)這種驅(qū)動(dòng)芯通過可用戶化的接口板與semix igbt模塊相組合時(shí)，就構(gòu)成了智能功率模塊，它還有著比傳統(tǒng)的ipm更大的靈活性。本文中的的測(cè)試結(jié)果驗(yàn)證了semix和skyper組合的優(yōu)良性能，有助于設(shè)計(jì)緊湊和可靠的變頻器。

參考文獻(xiàn)
[1] r.annacker, t.grasshof,“a new platbbbb for igbt modules - flexible and expandable semix family”[a]. pcim europe magazine, 07-08/2003, pp.46-47.
[2] m.freyberg, n.bakija, t.stockmeier, “l(fā)ayout and control of auxiliary terminals in igbt modules”[j]. elektronik, 05/2004, pp.42-48.
[3] m.hermwille, t.grasshof,“skyper- modern and simple driver”[j]. power systems design 06/2004, pp.12-16.
[4] u.nicolai, t.reimann, j.petzoldt, j.lutz, “功率模塊應(yīng)用手冊(cè)”, isbn 3-932633-46-6[z]. verlag isle 2000, pp.187-190.
[5] r.herzer, c.bokeloh, j.lehmann,“a universal smart control ic for high-power igbt application”[j]. epe 97.
[6] e.hornung, u. scheuermann,“reliability of low current electrical spring contacts in power modules”[z]. microelectronics reliability 10/20.

作者簡(jiǎn)介
初 升(1971-) 男 碩士 1998年畢業(yè)于沈陽工業(yè)大學(xué)電力傳動(dòng)及其自動(dòng)化專業(yè)。從事過變頻器和ups的開發(fā)，現(xiàn)就職于賽米控(青島)有限公司研發(fā)部。