本文介绍一种新型智能功率模块(IPM),包括双列直插IPM(DIP-IPM)系列和单列直插IPM(SIP-IPM)系列,可用于中、低功率变速控制应用。这种新型DIP-IPM利用了最新的第5代IGBT(隔离栅双极晶体管)技术,不但静态性能和动态性能较过去有了很大提高,而且功率容量也扩展到了3.7kW。该产品取得成功的关键就在于采用了最先进的亚微米电源芯片设计技术和优化的模块设计技术及封装工艺。器件为用户的逆变器系统提供了一种经济高效的高性能解决方案。
在变速电机控制领域,逆变器技术已经成为实现高动态驱动性能的最有效的方法之一。 在家用电器和通用逆变器控制等大多数应用领域中,对降低产品成本、减小功耗、缩减产品尺寸和减轻产品重量的要求越来越强烈。 为了满足这种市场需求,三菱公司成功开发出双列直插智能功率模块(DIP-IPM),事实证明该模块确实能够有效满足要求。 与带有额外驱动/保护电路的分立的离散功率器件相比而言,DIP-IPM将所有的离散元件集成到一个精巧设计的移模(transfer molded)封装中,提供了一种更加全面的高级解决方案。这种做法不但简化了系统配置,减小了系统体积和组件数目,还为改善了用户设计逆变器系统时的可靠性和灵活性。
在此以前,三菱公司采用其独特的移模技术已开发出两种DIP-IPM。第一版DIP-IPM采用了第三代IGBT,第二版采用了第四代IGBT。其中,第二版DIP-IPM又有两种封装类型,一种是额定电流为12A到15A的大尺寸封装,一种是额定电流为3A到10A的小型封装。这些模块的功
率从0.1KW到2.2KW一应俱全,不但可以满足大多数家用电器对功率的要求,如空调的压缩机、洗衣机电机和冰箱压缩机,也能够满足低功率通用逆变器和伺服驱动应用的要求。然而,最近市场上出现了大量对大体积、大输出功率的空调应用的需求,这些应用大多需要功率高达3.7KW的大功率器件。而另一方面,空调风扇电机和小容量冰箱压缩机电机又要求功耗低得多,额定电流也低得多的器件。基于以上情况,三菱公司开发了一款新型IPM,即第三版DIP-IPM和SIP-IPM。第三版DIP-IPM和SIP-IPM包含三种封装类型,额定电流从3A到50A。除了采用高压集成电路(HVIC)的高电压信号电平转换器技术和采用自举方案的单电源技术等已广为人知的高级技术以外,新版的DIP-IPM和SIP-IPM在模块设计(尤其是在大功率应用中常常存在的散热问题)的解决方面,还采用了一些新思路和工艺。与过去相比,新的DIP-IPM工作能耗降低了大约5%,热阻也减小了超过20%。本文将介绍第三版DIP-IPM和SIP-IPM,以及其中用到的先进技术。
第三版DIP-IPM和SIP-IPM系列产品总览
第三版DIP-IPM和SIP-IPM系列包含三种封装形式。大封装的DIP-IPM主要用于额定功率为1.5到3.7Kw/AC220V(IGBT额定电流从20到50A/600V)的情况。而针对额定功率较低的情况,如0.2到0.75Kw/AC220(IGBT额定电流为5A到15A/600V),则采用一种小型封装。另外,还有一种以单列直插形式设计的更小的封装,其额定电流只有3A/600V率,主要用于功率低于0.1kW的小型电机。
大封装的DIP-IPM和小型封装的DIP-IPM电路拓扑结构完全相同,见图1。其中,三相电桥逆变器配置包含6个IGBT以及与其并联的续流二极管(FWD)。上端的三个IGBT由三个HVIC驱动,下端的三个IGBT各由一个LVIC驱动。SIP-IPM的内部电路则不同,见图2。其中只有三个HVIC,每个相位半桥由一个分立的HVIC驱动。SIP-IPM采用这种与DIP-IPM不同的设计,主要是因为它与DIP-IPM在管脚分配上的考虑不同。HVIC与LVIC的作用是提供IGBT门驱动以及模块故障检测和保护功能。
第三版DIP-IPM和SIP-IPM的特性
第三版DIP-IPM在设计时采用了与老版本兼容的封装尺寸和管脚分配,以便用户在开发新的逆变器系统时能够获得更大的方便。新版的IPM系列产品具有如下优势:
(a)采用最新的电源芯片
在设计开发第三版DIP-IPM和SIP-IPM时,最大的优势就是采用了配备第5代IGBT和超低功耗FWD的最新电源芯片。低于30A级别的IGBT采用亚微米(0.6um)设计规则设计,具有平坦结构,而50A级别的IGBT则采用了一种特殊的沟道结构--CSTBT(载流子存储式沟道栅型双极晶体管)。CSTBT由一种带一个附加n型埋置层的轻穿透型(Light Punch Through, LPT)垂直结构构成,见图3(a)。附加的这一层阻碍了从P+底层注入的载荷的流动,借此提高发射极载荷的浓度。结果,不但实现了较低的导通电压,IGBT关断损耗与饱和电压之间的平衡关系也得到改善,图3(b)和(c)对该方法与传统沟道型IGBT的比较有助于读者理解CSTBT的结构。
与第二版DIP-IPM中采用的第4代电源芯片相比,第5代IGBT的导通电压降低了大约5%,FWD前向电压也降低了30%。同时,IGBT和FWD优秀的低功耗特性和高电流密度使第三版DIP-IPM和SIP-IPM的静态性能和动态性能均得到了不同程度的改善。IGBT的低饱和电压和FWD的低前向压降降低了芯片的直流损耗,再加上开关损耗的降低,尤其是关断损耗的降低,最终逆变器的整体损耗都得到了降低。这还使得IGBT能耗对PWM控制方案的响应达到了令人满意的程度,也就是说,用户没有必要再为不同PWM频率的应用分别设计和定义低速和高速类型的模块。这一特性为用户的应用提供了极大的灵活性,因为过去的DIP-IPM以及大多数IPM在考虑到降低能耗这一问题时均存在PWM载波频率限制。
(b)新概念的导热结构
用于大功率应用的移模DIP-IPM往往存在一个瓶颈问题,那就是散热问题。尽管通过采用第5代电源芯片,逆变器的损耗已经得到很大降低,小型DIP-IPM的额定电流也已经从10A扩展到了15A,但采用大DIP-IPM封装仍不足以实现50A的额定功率。为了降低连接点和外壳之间的热阻,我们对当前的DIP-IPM导热结构进行了全面的改造。
新概念的导热结构见图4。传统结构一般只采用一个模块,而该结构中则采用了6个分立的散热片,见图5。这些散热片之间相互隔开,只通过焊接框架接触,而不是通过一个绝缘层接触。这种方式极大地增加了每个电源芯片的有效散热区,同时,散热材料也从铝改成了铜。Cu模块散热片以及其他部分均由高导热的环氧树脂封装起来,以达到电绝缘和机械保护的目的。实验评估和热仿真的结果表明,采用该导热结构之后,热阻降低了超过20%,这就使采用同样大小的封装尺寸实现高达50A的大功率容量成为可能。
这种新的结构不仅降低了器件的整体热阻,也使得单步铸模处理(molding process)成为可能。从图4和图5也可以看出第三版DIP-IPM和过去的DIP-IPM之间在铸模处理上的差异。过去的大封装DIP-IPM需要进行两步铸模处理。首先,用一层薄薄的导热环氧树脂将电源芯片及其焊接框架封装起来,然后在上面安装铝质散热片,接着进行第二次铸模处理,将散热片和整个焊接框架封装起来。第三版DIP-IPM在铸模处理时取消了第一步铸模处理过程,因而简化了整个封装过程,也节约了处理时间。
(c)接口电路
最近,高性能微控制单元(MCU)的开发使得元件的低电源电压趋势日益明显。传统的标准5V MCU正在被3.3V MCU取代。为了能够直接由一个3.3V的MCU驱动,IPM的输入逻辑已经由低电平有效改成高电平有效,也就是说,输入信号为高电平时IGBT导通,反之IGBT截止。表1给出了IPM输入信号电压的开/关阈值。另外,新系列的IPM将下拉电阻集成在模块内,因而在使用新系列的IPM时不必再象老版本的IPM一样外接6个上拉电阻,也无需再为给这6个电阻供5V的电而布线。这就使得接口得到大大简化,减少了电路组件的数目,也节约了控制板所占的空间。表2中给出了第二版IPM中采用的低电平有效的逻辑接口,通过与其相比,我们就能明白高电平有效这种逻辑接口的优点。
(d)优化的门驱动
IGBT的门驱动器在很大程度上影响着器件的开关性能和整体能耗。因而,设计新版的DIP-IPM时,已经根据门输入对门电阻进行了优化,以获取恰当的开关操作响应。结果,器件的导通速度稍微变慢,而关断速度稍微变快。前者有助于限制恢复电流出现峰值,同时还可限制di/dt的值,从而降低EMI噪声,而后者则有助于减小关断损耗。这种对导通速度和关断速度的控制也使得降低大封装DIP-IPM的空载时间(dead-time,即上、下臂的短路时间)成为可能。大封装的DIP-IPM允许的最小空载时间为2.0微秒,而小封装DIP-IPM和SIP-IPM所允许的最小空载时间为1.5微秒。此外,最新开发的输入逻辑为高电平有效的HVIC也能使电路的漂浮电流降低大约50%。
(e)保护功能
第三版DIP(SIP)-IPM能够提供两种故障保护功能。一种是控制电源欠压(UV)断电。当正常的15V控制电压或浮动自举电源电压降低到大约10.5V以下时,IGBT门将被关断,从而关断该IGBT。当电源电压恢复到12.5V的复位电压值以上时,保护将自动解除,IGBT从下一个输入信号来到时开始工作。但只有当低端控制电压出现故障时,电路才会产生一个故障信号。另一种保护功能是arm短路(SC)保护功能。为了实现这种功能,我们用一个1.5到2.0us的RC滤波器来检测一组跨接在零线和地线上的外部分流电阻上的压降。如果这个电压到达一个SC跳闸值,就说明DC通路中电流过大,于是所有的低端IGBT都将被关断。此处所说的SC跳闸值由分流电阻决定,通常要求将最大SC跳闸值设置为器件额定电流的1.7倍,以保证绝对安全操作区(SOA)。当器件中出现SC故障时,就会产生一个故障信号。
电特性和典型应用
通常采用一种叫做PS21867(30a/600v)的模块来代表第三代DIP-IPM,进行标准半桥感性负载开关特性测试。
目前第三版DIP-IPM和SIP-IPM包含7个品种,可以满足多种应用的需要。表3列出了这7种IPM及其适用的典型应用。尽管通常认为这些IPM主要针对家用电器应用,但他们优异的性能也能满足许多工业应用的要求。图6是一种典型应用电路。
本文小结
本文介绍了新型DIP(SIP)-IPM及其最新设计和处理技术。这些新型器件是性能、成本、功效、可靠性、封装工艺和用户接口等多种复杂因素综合考虑的结果。其优点是功耗较低、噪音较小、封装尺寸较小,可为更高性能的电机速度控制提供功能强大并且高效低价的解决方案,同时,为节约能源和保护地球环境作出较大贡献。
作者:Mitsutaka Iwasaki
Toru Iwagami
Masanori Fukunaga
Xiaoming Kong
Hisashi Kawafuji
Gourab Majumdar
参考文献:
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[4] E. Motto, et al., "The CSTBT, a New 1200V Power Chip with Low Vce(sat) and robust Short Circuit Withstanding Characteristics", PCIM2001
京公网安备 11011202001138号
