作者：Musamettin Zurnaci賽米控應(yīng)用經(jīng)理

    效率正成為變頻器設(shè)計中的一個日益重要的因素——從器件的選擇，到變頻器本身，一直到制造過程。輸出功率高達(dá)15kW的智能模塊具有創(chuàng)新性的裝配技術(shù)并集成了SOI驅(qū)動器可以大大縮短產(chǎn)品開發(fā)時間。

    今天，速度是競爭世界的一個非常重要因素，雖然在現(xiàn)實中，一個新的變頻器的上市時間相對較長。這就是說，開發(fā)工程師可以盡力將一個具有某些特定功能的新產(chǎn)品更快地推向市場：然而，為了這樣做，他們必須冒險探索新的途徑，避免使用常規(guī)的方法。通常情況下，變頻器的個別級，如輸入整流器、驅(qū)動電路或功率級，是由分立元件構(gòu)成的。為此，必須進(jìn)行非常復(fù)雜的計算和使用可能的元件進(jìn)行模擬，以使電源和信號路徑部分的各個元件相互匹配。功率IGBT驅(qū)動電路的開發(fā)是特別具有挑戰(zhàn)性。該驅(qū)動電路必須確保變頻器的功率晶體管得到足夠的能量供應(yīng)以及重要的系統(tǒng)參數(shù)（如負(fù)載電路中的短路）進(jìn)行監(jiān)測。在開發(fā)和制造變頻器過程中使用低集成度的器件所帶來的結(jié)果不僅是開發(fā)時間較長，而且在物流和生產(chǎn)過程中存在相當(dāng)大的缺點。大量的獨立器件意味著需要更多的存儲空間，在生產(chǎn)鏈中需要更多的步驟。這會導(dǎo)致較長的生產(chǎn)時間和更高的故障率。系統(tǒng)的整體服務(wù)便利性也受損，因為需要在生產(chǎn)階段或客戶應(yīng)用中進(jìn)行的最終修理會非常麻煩。所有上述的影響導(dǎo)致成本上升，從而使逆變器整體上較昂貴。通過使用賽米控為中功率應(yīng)用而開發(fā)的MiniSKiiP IPM，其最大輸出功率達(dá)15kW，可以大幅度減少使用分立元件所帶來的缺點并節(jié)省成本。本文介紹MiniSKiiP IPM在機械、電氣和熱性能方面的特點。

壓接技術(shù)

    MiniSKiiPIPM的主要機械特點是組裝方便、便于服務(wù)的連接方式。事實上，功率和控制連接都使用了彈簧壓接技術(shù)。這種類型的連接技術(shù)為用戶提供了一些優(yōu)勢。用戶的印制電路板不必安裝通孔技術(shù)（THT）的熱敏感焊接連接，因為在一邊的接觸面就足夠了。整個電力電子部分由散熱器、MiniSKiiP IPM、用戶印刷電路板和蓋子（圖1）組成，按照一種夾層的方式放置在頂部并用螺絲擰緊。模塊和用戶印刷電路板之間的所有電氣連接，以及到散熱器的熱連接只需一個安裝步驟即可完成。電力電子部分還可以被拆除——在生產(chǎn)中或在客戶現(xiàn)場因維修目的——與常規(guī)螺絲或焊接連接相比，非常方便。

    連續(xù)工作時，每個觸點彈簧的允許最大電流為20A。由于負(fù)載電路中所有的觸點彈簧采用并聯(lián)彈簧，因此每個負(fù)載電路的最大允許電流增大了。電氣和熱接觸是通過螺絲實現(xiàn)的。螺絲將模塊壓在散熱器上，這樣做所帶來的機械接觸力高達(dá)100N/mm² 。相比之下，傳統(tǒng)模塊中，用于負(fù)載連接的螺絲所提供的接觸力大約為50N/mm² 。常規(guī)引腳連接器的接觸力是10N/mm² 。因此，彈簧觸點可以提供與螺絲連接一樣好的接觸，即使不能提供更好的接觸。

    傳統(tǒng)功率模塊中，使用了2-3mm厚的銅基板。銅基板和DCB（直接敷銅）熱膨脹系數(shù)的不同導(dǎo)致在制造過程中完成焊接后以及在高溫下使用模塊的過程中焊層都會存在應(yīng)力。這些應(yīng)力導(dǎo)致彎曲，這就是為什么MiniSKiiP IPM模塊中取消了銅基板。在組裝過程中，DCB是直接安裝到散熱器上。這樣做有兩個重要的優(yōu)點：從芯片到散熱器的熱路徑變短了，并且模塊的整體重量減輕了，這為移動應(yīng)用提供了至關(guān)重要的的優(yōu)勢。

圖 1：使用中的MiniSKiiP IPM– 得益于壓接技術(shù)，使得安裝簡便

集成驅(qū)動器

MiniSKiiP IPM的核心是所集成的最匹配的HVIC驅(qū)動器（高壓集成電路）。對于用戶來說，其優(yōu)點是：模塊的使用得以簡化。與使用外部驅(qū)動器不同，這里的在信號路徑要短得多，從而改善了EMI特性并大大增強了抗寄生效應(yīng)能力（圖2）。

    HVIC驅(qū)動器可以驅(qū)動7個IGBT （3個在高側(cè)、3個在低側(cè)、1個在制動斬波器），它基于600V SOI技術(shù)。與pn結(jié)絕緣技術(shù)相比，該技術(shù)的漏電流非常小。SOI技術(shù)的進(jìn)一步優(yōu)勢是為了防止產(chǎn)生閉鎖而對有源器件進(jìn)行電介質(zhì)隔離，以及高集成度。HVIC驅(qū)動器具有集成的故障管理功能，該功能通過使用外部分流器監(jiān)控電源電壓和負(fù)載電流。如果出現(xiàn)一個故障，所有開關(guān)（ IGBT）被關(guān)斷。此外，HVIC驅(qū)動器具有創(chuàng)新的電平轉(zhuǎn)換器概念，有了電平轉(zhuǎn)換器，可以不受驅(qū)動器參考電壓變化的影響。當(dāng)切換大負(fù)載電流時，陡峭的電流上升結(jié)合寄生電感，能在IGBT發(fā)射極電位和驅(qū)動器參考電壓之間產(chǎn)生電壓。由于這些電壓具有任意的極性，因此柵極和發(fā)射極之間的電壓根據(jù)極性增大或減小。在傳統(tǒng)的驅(qū)動器電路中，這可能對開關(guān)性能產(chǎn)生不利的影響，或者在最壞的情況下，甚至可以導(dǎo)致系統(tǒng)的損壞。

    集成HVIC驅(qū)動器的進(jìn)一步優(yōu)勢可以從良好的散熱性能看出。例如，對于尺寸約為4.9mm x 3.1mm的驅(qū)動模塊，可實現(xiàn)約4 K/W的熱阻，HVIC的工作溫度范圍提高到200°C。相比之下，傳統(tǒng)模塊中類似大小芯片的熱阻約為 75K/W。熱阻的減小可用來增加驅(qū)動器的輸出功率，從而優(yōu)化IGBT的控制。

圖2：集成了SOI驅(qū)動器的600V MiniSKiiP CIB IPM的設(shè)計

    賽米控MiniSKiiP技術(shù)中的IPM模塊，采用了彈簧壓接，擁有優(yōu)異的電氣和熱性能。開發(fā)時間大大減少，因為不再需要復(fù)雜的驅(qū)動器開發(fā)。IGBT和HVIC驅(qū)動器物理位置上的接近增強了抗電磁干擾的穩(wěn)定性，從而大大提高了可靠性。

全面優(yōu)勢

電力電子技術(shù)新的地平線

    經(jīng)驗表明，焊接在制造過程和實際應(yīng)用中都是電路中的一個薄弱點。在電力電子領(lǐng)域，這一問題更加嚴(yán)重。大電流以及由此產(chǎn)生的高溫為變頻器的開發(fā)商帶來很大的挑戰(zhàn)。有了采用壓接技術(shù)的功率模塊，由焊接所造成的不利因素不再是一個問題：生產(chǎn)過程可以被簡化、因而降低生產(chǎn)成本、發(fā)生故障時的服務(wù)便利性也得到了改善。