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三菱电机:新一代大功率IGBT模块

已有7396次阅读2020-05-25标签:
       导 读

       以新能源发电和工业驱动为代表的大功率应用需要可靠、可扩展、大功率密度、低杂散电感功率模块。为了满足这些需求,已经被认可并取得成功的HVIGBT LV100封装被引入工业领域应用。
 
 
 
 
       1、LV100概念
 
       以风电变流器、集中式太阳能逆变器和工业驱动为代表的应用需要大功率密度、高可靠性、可扩展功率范围的标准化1200V和1700V功率模块。为了满足这些要求,基于广为熟知的HVIGBT LV100模块的外形和内部布局理念开发了工业LV100封装模块。这一理念之所以令人信服,是因为它不但基于标准化封装外形设计,同时还能够具有最高的功率密度、易于并联的可扩展性、低杂散电感、适用于高速开关器件(如SiC MOSFET)以及具有优异的均流特性。结合最新的第7代IGBT和二极管高效芯片以及无热循环失效SLC封装技术,LV100模块提供了最佳的整体性能。在1700V等级中,LV100模块实现了1200A的额定电流。考虑其紧凑的封装面积仅为144x100mm²,这代表了杰出的电流密度。图1  全新工业级LV100封装功率模块
 
 
图2  LV100产品一览及规划
 
       2、LV100内部布局
 
       由于受到IGBT芯片尺寸限制,1200V/1700V级别的IGBT芯片最大电流规格一般为200A。因此,在大功率IGBT模块中,经常会使用多个芯片并联以达到更大的电流规格。因此对于一个1200A的IGBT模块,至少需要6个IGBT芯片并联。在设计器件内部布局时,必须考虑并联芯片之间的电流平衡。电流的平衡分配对于平衡损耗及发热显得至关重要;不平衡的电流分配将导致特定芯片承担最大的电流和最高的温度,因而这将限制整个器件的性能和整个系统的寿命。连接到每个芯片的寄生阻抗显著影响并联芯片之间的电流平衡。如果每个芯片之间的寄生电感不一致,在IGBT开关过程中就会出现动态电流不平衡。模块端子排列和芯片位置是影响寄生阻抗的主要因素。为了实现阻抗相等,从主端子到所有芯片的距离必须非常一致。这可以通过优化主端子和芯片布局来实现,使其垂直于电流方向。如图3所示[6]。在理想的模块概念中,电流换流仅发生在Y方向(由蓝色和红色箭头表示),而主端子和芯片分布在与之垂直的X方向。通过这种方法,功率模块就可以获得相等的寄生阻抗。在开发LV100布局时,已经考虑到了这种理想布局,并实现了如图4仿真结果所示的电流平衡。目前用于大功率工业驱动或者新能源变换器领域的传统模块的主端子和芯片布局通常与电流方向平行。对于这种传统模块的设计,其对称的寄生阻抗是不可能实现的。由此产生的电流不平衡是传统模块的一个公认的特点。对于诸如负载短路等情况,由于层叠母排中没有电感耦合,不同芯片之间的不均匀杂散电感对这种传统模块的影响变得尤为显著。
 
       对于具有高dv/dt的快速开关功率半导体器件,这种不同芯片之间杂散电感的差异将对均流效果产生极大的影响。因此,如果变换器设计工程师考虑将来会使用SiC器件,那么LV100封装是一个不错的选择,这是因为LV100的布局理念同样适用于SiC器件[8]。从而,只要进行少量的改变和验证工作,就可以将功率器件由Si IGBT变换为SiC MOSFET。
 
图3  功率半导体芯片布局对比
 
 
图4  LV100封装开通波形均流效果仿真结果
 
       3、无热循环损坏封装结构
 
       在大功率工业驱动应用中,IGBT模块会在负载波动(或非连续)的情况下经历热循环[1]。风电变流器通常采用水冷散热,而水冷系统的热时间常数一般为几秒。因此,由于IGBT壳温也将随着负载条件的变化而快速波动。这意味着在风况变化的日子里,IGBT模块基板将经历许多次热循环。同样,光伏逆变器每天至少经历一次巨大的热循环。考虑到部分变换器的使用寿命长达25年,其使用的IGBT模块必须能够承受几千次热循环。传统工业IGBT模块采用多片陶瓷基板焊接到铜基板的散热结构,其热循环能力有限。因此,在设计变换器时,必须将热循环作为寿命限制参数。为了消除热循环对寿命的限制,工业级LV100在开发中选用SLC技术[2][3]。如图5所示,传统功率模块的封装结构被IMB(绝缘金属基板)与直接灌封树脂组合所取代,其中绝缘层和灌封树脂的热膨胀系数与铜基板的热膨胀系数相近似。采用这种相近的热膨胀系数和消除焊接层,便实现了一种无热循环失效的封装结构[5]。
 
图5   SLC技术与热循环测试结果
 
       4、第7代1700V IGBT 芯片
 
       第7代IGBT和二极管芯片具有优化的结构,比上一代产品更薄。此外,第7代IGBT通过对直流特性和开关特性的适当折衷进行芯片设计[5]。我们利用三菱电机的Melcosim[7]仿真软件对大功率变换器在典型应用条件下的器件损耗进行了仿真研究。图6给出了1200A/1700V LV100与A公司的传统1400A/1700V模块的结果对比。值得注意的是,在500Hz开关频率下,两者损耗是相当的;然而,由于器件特性的折衷选择与优化的芯片结构,二极管和IGBT的开关损耗均得到显著降低,因此对于高于500Hz开关频率的应用场景,LV100具有更高的效率。例如,在5kHz的开关频率下,LV100可以降低损耗39%。这种损耗降低可以降低对冷却系统的要求,从而降低逆变器的总成本,并实现更高的系统功率密度。
图6  功率损耗对比: 1200A/1700V工业级LV100模块 vs. 竞争对手A1400A/1700V传统模块
 
       5、结 论
 
       一种全新的大功率IGBT模块(工业用LV100)正在开发中。该器件针对大功率应用场景,如新能源领域和工业马达驱动等,进行了优化。该器件的封装尺寸与HVIGBT系列的LV100封装保持一致,并将成为全新的市场认可的标准封装。SLC封装技术实现了无热循环失效的设计,从而大幅提高系统的可靠性。第7代IGBT芯片技术显著降低了开关损耗,使得500Hz以上开关频率应用大为受益。器件内部芯片对称布局提供了极小的杂散电感并确保各个芯片之间的均流效果。因此,该芯片布局可同时用于高速开关的功率半导体器件。
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