如今，電機驅動器在工業(yè)、公共交通和車輛應用中扮演著不同的角色。從機床、水泵到電梯和叉車設備。一方面，這導致了高度專業(yè)化變頻器的發(fā)展；然而，另一方面，為了節(jié)約成本，標準化也越來越重要。覆蓋不同的應用需求的一種可能的方式是通過相關軟件的參數(shù)化創(chuàng)建一個通用的硬件平臺。此外，變頻器制造商通常希望能夠單一硬件平臺覆蓋各種功率等級，并且另外附帶可擴展的組件。

    在近60年來，賽米控在為變頻器開發(fā)電力電子組件的時候一直把變頻器制造商的需求考慮在內。得益于平臺戰(zhàn)略 - 即針對不同的應用和功率等級使用相同的或可縮放的模塊 – 可配置變頻器滿足不同的需求。

    電機驅動系統(tǒng)不得不在成本效益和尺寸優(yōu)化方面滿足要求。全球所有投入使用的電機中只有約10％使用了電力電子控制系統(tǒng)。變頻器控制的電機比非控制電機少用了多達30％的電能。事實上，電機變頻器在減少二氧化碳排放和提高能源效率方面潛力巨大。然而，為了在一個傳動系統(tǒng)中實現(xiàn)最高效率，需要控制、冷卻和硅片選擇的理想組合。這可以通過使用優(yōu)化的開關拓撲結構、諧振逆變器和更高的開關頻率來實現(xiàn)，從而帶來更小的電感，因此降低成本和體積。日益增長的動態(tài)網(wǎng)絡需要更優(yōu)質的變頻器輸出信號，并且同時要滿足日益增長的EMC（電磁兼容性）要求。標準和審批法規(guī)正變得越來越復雜，同時縮短開發(fā)時間的壓力正在增大。滿足這些截然相反要求的最好方法是使用模塊平臺概念，可通過調整用于不同的功率等級。

    平臺戰(zhàn)略提升了效率

    這些模塊平臺的例子有MiniSKiiP和SEMIX IGBT系列。MiniSKiiP有四種不同的外殼尺子，功率范圍為1-37kW。每種外殼尺寸最多有3種不同電流等級，意味著一個PCB布局可以涵蓋一個變頻器平臺的不同功率等級。

    圖1：MiniSKiiP IGBT系列模塊的外殼尺寸和功率等級，功率范圍為1kW-37kW

    表1： 6組件IGBT模塊的電流等級和相應變頻器的功率等級

    可調整性不僅對模塊外殼大小是必須的，事實上，它必須延續(xù)到封裝技術的選擇以及連接元件的布局。例如在MiniSKiiP中，電源和柵極端子位于驅動板上一個對整個電路都有意義的位置。這意味著該布局可以很容易地被調整用于更大的功率等級。這使得變頻器開發(fā)效率得以提高。

    在SEMiX-IGBT模塊中，調整是通過改變模塊的長度。因此，可使用相同直流環(huán)節(jié)設計和逆變器設計。這對于15-200kW的中等功率變頻器來說非常有用，那里比低功率范圍的面積更小。

    在所有四個模塊尺寸中，電源和柵極端子的位置是可以進行調整的。模塊長度取決于功率等級。這種可調整性延續(xù)到內部模塊的設計。在 SEMIX模塊中，根據(jù)功率等級，可并聯(lián)多達4個DCB基板，每個基板帶一個完整的半橋拓撲結構。這樣就可以在模塊生產(chǎn)中生產(chǎn)大量相同的部件，從而帶來一致的生產(chǎn)質量。在模塊應用中，這意味著各個模塊有一致的開關行為，因為半橋布局是一致并且有相同的整流路徑。

    圖2：SEMiX2、3和4的內部模塊可擴展性- 不同功率等級，相同的規(guī)格

    熱模型有助于檢測副作用

    除了模塊平臺的選擇，現(xiàn)場監(jiān)控也發(fā)揮著重要的作用。由于所有模塊都將運行在優(yōu)化的熱條件下，有必要長期監(jiān)測溫度。所有模塊都集成的溫度傳感器。除了單獨模塊的溫度，熱副作用也必須考慮。這包括熱串擾、熱分布中的邊界效應和擾動。熱模型可幫助預先識別與設計有關的風險。

    半導體技術的進步允許開發(fā)的結構越來越精細、開關特性更快的IGBT。在過去的幾年中，芯片厚度的減小使得相同額定電流下芯片面積減小了60％以上。對于目前的封裝技術來說，薄膜晶圓技術已經(jīng)達到了極限。這可以從一個事實看出來，對于70µm厚的600V IGBT3芯片，10µs最大短路時間已減少到了6µs。短路時的大量熱量無法再被單獨存儲在一個薄膜芯片中，模塊熱性不能使產(chǎn)生的熱量足夠快速地消散。芯片面積的減小使得有可能提高封裝密度；每個模塊面積的額定電流穩(wěn)步上升 - 在8-10W/cm² 下，風冷散熱器已經(jīng)達到極限。熱密度進一步集中意味著需要更加復雜的散熱解決方案，這抵消了之前所實現(xiàn)的成本節(jié)省。電力電子的成本只可以從兩個方面降低 - 通過更高的運行溫度和改善芯片散熱。為了實現(xiàn)相同的芯片面積產(chǎn)生更高的功率輸出，需要增大IGBT的最高結溫并且增加續(xù)流二極管。應用中所需的短路保護設置了一個物理極限，因為隨著溫度的升高，關斷狀態(tài)電流呈指數(shù)上升。

    圖3：變頻器輸出電流與最高結溫和散熱器溫度的關系。更高的散熱器或IGBT結溫允許更高的變頻器輸出功率

    優(yōu)化的封裝技術

    依據(jù)開關頻率，IGBT運行溫度升高25K，可使有效電流增大高達15％。另一方面，運行溫度的升高可能會導致加速老化，從而縮短使用壽命。這必須通過改進的封裝技術進行補償。運行溫度升高后，基板和陶瓷基板之間的焊接連接以及芯片和陶瓷基板之間的焊接連接構成了模塊的薄弱點。由于所用不同材料的熱膨脹系數(shù)不同，高溫波動和過度的負載循環(huán)會導致已知的焊料微裂縫疲勞作用。到模塊循環(huán)壽命即將結束時，這將導致更高的熱阻從而溫度更高，最終將破壞鍵合線連接。這一問題的一種可能解決方案是省略底板，使用壓接系統(tǒng)并用熱分布布局措施的代替。由于陶瓷基板相對靈活，并且壓力是通過一些機械“手指”的方式建立的，可在散熱器和DCB基板之間實現(xiàn)十分密切的接觸。這就是為什么導熱涂層，功率模塊熱阻的70％來源于該涂層，可以減到最小，20-30μm厚。為了補償基板板和散熱器之間出現(xiàn)的熱變形，有基板模塊的導熱涂層厚度要厚3倍。在采用壓接技術的無基板模塊中，熱性能比有基板模塊高25％。最新的技術發(fā)展是用一個燒結芯片層代替芯片的焊接。高得多的熔點減少了由溫度所導致的老化，并且將負載循環(huán)減少到最低限度。負載循環(huán)能力因而可提高5倍，這意味著無需再在用于變頻器產(chǎn)品的功率模塊尺寸上進行妥協(xié)。在可靠性方面，目前功率模塊中最薄弱的環(huán)節(jié)是在芯片上和陶瓷基板上的超聲波鍵合連接。模塊制造商目前都在專注用于芯片頂部表面的新接觸方法的開發(fā)，以實現(xiàn)可靠的芯片連接。

    上述的平臺概念使制造商能夠在不同功率等級的變頻器中使用相同的模塊概念。例如，這包括不同過載條件和精度要求的通用及伺服變頻器。1-37kW的MiniSKiiP IGBT模塊和15-200kW的SEMiX模塊為整個逆變器系列采用了可調整的連接技術和外部尺寸。功率組件封裝技術的發(fā)展正在為用于更高運行溫度的方案鋪平道路，例如散熱器的溫度在100°C以上，從而帶來更具成本效益和更緊湊的解決方案。■