MiniSKiiP® IPM——面向中等功率應用的先進模塊架構

    對于低功率的應用，如輸出功率小于2kW的電機，集成模塊在過去十年中取得了很大的市場份額，在很大程度上取代了采用分立元件的解決方案。在這一功率范圍內，IPM（智能功率模塊）這一通用術語主要是指焊在引線框架上并采用壓注模處理進行封裝的集成了驅動器的三相逆變器電路。

    對于大高功率的應用，散熱性能必須增強；然而，這對于上述封裝類型來說難以實現。尤其那些為更高功率應用開發的IPM是基于將驅動器安裝在一塊傳統電路板(PCB)上的方式，且PCB集成在經典模塊內；但是，這些模塊需要復雜的內部連接技術，并且還必須解決為驅動器組件提供充分冷卻這一問題。

    對于中等功率的應用，如輸出功率為2-15kW的電機、CIB模塊（整流器-變頻器-制動器），在過去幾年已獲得了堅實的市場基礎。CIB是一種有效的解決方案，它將所有具有高散熱要求的功率開關管組合在一起構成一個單一模塊。用在CIB解決方案中的MiniSKiiP^®模塊已經被證明是特別成功的，因為它們將用戶友好的組裝概念和先進的封裝技術結合在了一起。

    在面向中等功率驅動器的解決方案中，由于采用了集成驅動器的概念，使MiniSKiiP^® IPM成為一款先進的智能功率模塊。本文在解釋這個概念之前先簡要介紹這種封裝技術的特點。

無基板模塊

    功率模塊所使用的常規封裝技術是基于一塊是堅固的銅板，其功能是作為整個模塊組件的基板。這些基板通常2 – 3mm厚，會帶來一些問題 [1] ：由基板和陶瓷功率基板的熱膨脹系數不同所導致的-陶瓷功率基板是由銅/陶瓷/銅制成的復合板，因其制造工藝而被稱為DBC（直接敷銅），焊接后在焊層產生一定的應力，造成整個系統發生強烈的彎曲。彎曲在組裝層產生空洞，這會在模塊中帶來嚴重的熱效應。雖然一個設計合適的基板有助于減少這種空洞，可是，由于焊料的粘塑性，隨著時間的推移，將會產生松弛，從而使彎曲發生改變。因此，無法確定任何特定時刻的基板最佳形狀。

    10多年前，因為這些因素，所以開發了無基板封裝解決方案。在此種解決方案中，焊層和基板本身不再作為熱量通往散熱器的途徑。如果采用了一個合適的壓力系統在基板和散熱器之間提供一個小間隙，由因缺少基板進行熱擴散所造成的弊端，幾乎可以由減小熱涂層的厚度來彌補。

    相比之下，無基板模塊重量的減輕對于移動應用中的逆變器系統具有明顯的優勢。

彈簧觸點

    用戶友好的模塊組裝方式主要是由于模塊連接的技術來體現。在MiniSKiiP^®模塊中，彈簧觸點技術用于負載和控制的接觸。對于用戶，這意味著能夠帶來一些好處：無需額外組裝設備就能將模塊與PCB相連；PCB僅僅是放在模塊和壓蓋之間；當模塊安裝到散熱器上時，熱接觸和所有的電氣連接一步完成。第二個好處是有可能在任何給定的時間完成拆卸——從而進一步體現這項技術的服務便利性。與采用過孔技術的焊接連接不同，彈簧觸點技術還大大簡化了PCB的布局。

    彈簧觸點的使用也提供了一種模塊設計方面的優勢。事實上，彈簧觸點的啟用增強了設計的靈活性，這意味著在DBC上可以相對自由的布置觸點的位置。這使得開發工程師可以通過設置觸點的位置來確保CIB具有最佳的動態電氣特性。可以減少一些內部連接的數量，從而增強整體可靠性。如前所述，彈簧觸點技術可以更為靈活地進行模塊的設計。在模塊外殼內部，通過在軸上采用不同的彈簧配置，可以在很容易地一個或相同模塊系列中實現不同的版本。

    MiniSKiiP^® IPM中，彈簧觸點的位置能被調整，從而實現所有必要的負載和控制接觸（圖1）。在組裝過程中壓在印刷電路板上面的一個封邊圍繞具有相同電位范圍的彈簧觸點，以及整個觸點區，從而可減小環境對模塊的影響。

圖. 1: 600 V MiniSKiiP^® CIB IPM

    MiniSKiiP^®彈簧的持續電流承載能力為20A，受焦耳定律的限制。在一塊MiniSKiiP^® IPM中，負載觸點由三個平行的彈簧組成，從而使有效連續電流為60A 。

    雖然彈簧觸點的優勢現在得到了相對廣泛的認可，但在有關極端條件下的長期可靠性方面仍存在一些保留，這些極端條件在電力電子應用中并不少見。采用插件連接器所帶領的消極經驗強化了這些保留，插件連接器可能會在小電流和電壓方面產生問題。

    與此相反，MiniSKiiP^®模塊中所使用的彈簧觸點與標準商業插件連接器有很大的不同，再者它還能提供一個非常大的接觸力。采用標準插頭連接器，接觸力是有限的，因為過高的接觸力也會造成了插拔連接器所需的力也相應增加了。插件連接器的典型接觸壓力是在10N/mm²范圍內。

    有了MiniSKiiP^®彈簧觸點，組裝的過程中將模塊壓在散熱器上的螺絲所帶來的接觸力情況就大不相同了。在組裝過程中，彈簧接觸面的壓力范圍為20-100N/mm²。傳統模塊中，負載連接和直流環節母線間的典型螺絲連接的壓力約為50N/mm² 。因此彈簧觸點和螺絲連接更具可比性，而非傳統的插件連接器[2] 。

    因為每個彈簧的接觸力在4-6 N之間，如在MiniSKiiP^®模塊中 ，銀被選為首選的觸點鍍層材料。長期廣泛的調查已經確認這種接觸表面具有高度的可靠性，并且適用于具有SnPb表面的PCB，以及符合RoHS指令的化學錫、熱風整平(HAL)錫和鎳/鍍金(ENIG)的表面。唯一不建議采用彈簧觸點的印刷電路板表面處理方式是有機表面保護(OSP) 。

SOI 驅動器

    帶有高電壓集成電路(HVIC)的MiniSKiiP^®被稱為CIB IPM模塊。它的優勢是：增大了集成度和增強了易用性。

    這里所用的HVIC平臺是600V SOI加工技術。SOI技術相對絕緣pn結概念的優勢在于相對較小的漏電流。此外，所有活動組件電介質絕緣保證了免受閉鎖效應的影響，在絕緣PN結的HVIC中閉鎖效應可能導致故障并最終燒毀逆變器。最后， SOI技術可使HVIC在高達200 ℃的工作溫度下運行 ，這使得這項技術適合于應對未來電源模塊的工作溫度要求。

    HVIC的工作電壓在12V和17V之間，控制成對互鎖的三個TOP和三個BOT開關，以防止它們同時開啟，以及第四個用于制動斬波器或 PFC電路的BOT開關。輸入都兼容TTL或3.3V CMOS邏輯電路，信號輸入和輸出之間的延遲時間大約是300ns 。一個故障管理功能處理內部故障（電壓不足）和外部故障（如過流檢測） ，并確保所有CIB開關都被關閉。

    然而，SOI驅動器的一個基本特征是先進的電平轉換器概念，它可以很大程度上不受驅動器參考電壓變化的影響。在逆變器中，陡峭的電流斜坡發生在負載電流切換時，加上系統中的寄生電感，在IGBT的發射極和驅動器參考電壓之間產生電壓。這些電壓可以有兩種極性。根據不同的極性，柵極和發射極之間的電壓增加或減少。這就導致開關性能的變化。在不利的條件下，可能會導致開關不必要的開啟或關閉。在最壞的情況下，甚至可能導致逆變器損壞。此外，使用限流器監測電流會導致驅動器參考電壓和IGBT發射極之間產生與負載相關的電壓漂移，這會導致類似的問題。

    在低功率IPM中，這些寄生電壓波動通常都非常低，不過，它們隨著功率的增大而增大，也就是說，隨著電流的增加，這種影響也變得更為嚴重。為此，開發了先進的電平轉換器概念，可以在兩種電壓極性下為BOT和TOP開關對電壓的變化進行補償。

    BOT電平轉換器的基本原理如圖 2a所示。在兩個獨立的傳輸通道上驅動一個TOP和一個BOT電平轉換器。電平轉換器是在每個路徑上帶額外二極管的常規靜態CMOS電平轉換器。根據原邊和副邊間電平轉換的極性，TOP或BOT電平轉換器被用于信號轉換，而其他級別的電平轉換器被反向二極管所阻擋。在副邊，所需要只是簡單的OR電路。

   TOP開關電平轉換器的實現（圖2b）更為復雜，因為沒有阻斷電壓為600V 的P-MOS晶體管可供使用。由于這個原因，采用了基于高壓nDMOS和高阻斷二極管的脈沖信號轉換。脈沖轉換可減少橫向電流，從而減少開關損耗。

圖. 2: BOT 開關 (a) and TOP 開關 (b)雙極性電平轉換器的電路圖

    在TOP和BOT開關控制中采用雙極性電平轉換器這一先進概念，使得驅動器可以免受參考電壓變化的影響，只受電平轉換器開關阻斷能力的限制。在靜態電壓變化情況下，電平轉換器的功能由圖3a和圖3b中的信號特征來體現，電壓變化分別為+20V和-20V。動態電壓變化也很容易補償，如圖4a所示。此處，二次側驅動信號的特征幾乎是理想的，盡管在發射極電壓和驅動器參考電壓之間引入了噪聲信號。

圖. 3: 參考電壓在+20V (a) 和 -20V (b)之間變化時，600V SOI 驅動器的特性

     圖4b顯示的是SOI驅動器的布局，用以說明單獨通道。圖中也能看到用于TOP開關雙極性電平轉換器的高阻斷DMOS晶體管和二極管。

圖. 4a:  動態參考電壓因噪聲信號干擾產生波動時，600V SOI 驅動器的特性

圖. 4b: 驅動器輸出級的視圖

集成SOI驅動器的MiniSKiiP^® IPM  

    HVIC直接安裝CIB功率模塊的DBC上。通過這種方式，可使信號路徑短，從而使驅動器路徑的寄生特性小（圖5 ） 。

圖. 5: 集成SOI驅動器的MiniSKiiP^® CIB IPM 的DBC

    DBC 由兩塊帶0.38mm氧化鋁陶瓷層的0.2mm銅層組成。導電跡線和0.4mm的絕緣溝道對于分配驅動器控制信號是必需的。

    組裝過程的第一步是焊接功率組件和溫度傳感器。然后使用導電膠集成HVIC和SMD柵極電阻。功率組件的上層觸點使用300μm厚的鋁焊線連接，而驅動器的連接使用50μm鋁焊線。然后電路嵌入軟硅膠，基板插入已安裝觸點彈簧的模塊外殼中 。模塊組裝完成后，軟硅膠已被處理了。

    直接將驅動器安裝在DBC上的一個重要的優勢是良好的散熱性能。事實上，一塊4.9mm x 3.1mm的驅動器芯片的熱阻大約為4K/W。與之相比，在傳統SOP28殼體中，尺寸幾乎相同的芯片的熱阻大約是75K/W。低熱阻允許驅動器的輸出級可以有更大的功率。雖然第一臺原型機在輸出電壓為15V時，輸出電流為500mA，下一代產品的輸出電流可以增加一倍，從而為中等功率應用帶來更好的芯片控制。

總結

    新的600V SOI HVIC是一款在中等功率應用中用于電源開關控制的 7通道驅動器。由于它采用了先進的雙極性電平轉換器概念，這款新驅動器可提供可靠的控制且抗干擾。將此款驅動器與現有的用戶能夠方便進行組裝的功率模塊進行集成，就會形成CIB IPM，它為中等功率應用指定了新的標準。

參考文獻

[1]   U.Scheuermann, P.Beckedahl: The Road to the Next Generation Power Module – 100% Solder Free Design, Proc. CIPS 2008, ETG-Fachbericht 111, 111-120, Nürnberg, 2008.

[2]   F.Lang, U.Scheuermann: Reliability of Spring Pressure Contacts under Environmental Stress, Microelectronics Reliability 47 (2007), 1761-1766.

[3]   B.Vogler, M.Roßberg, R.Herzer, L.Reußer, T.Wurm: 600V Converter/Inverter/Brake (CIB) – Module with integrated SOI Gate Driver IC for Medium-Power Applications, Proc. CIPS 2008, ETG-Fachbericht 111, 261-265, Nürnberg, 2008.