IGBT模块的新技术优化

1.SEMiX-IGBT模块

结构紧凑、接口简单的IGBT模块是设计高性价比的拖动装置和功率电子组件时所期待的，赛米控（SEMIKRON）公司在其新推出的SEMiX-IGBT系列模块中，采用了一个既灵活又可以扩展的IGBT模块，具有宽广的功率范围、可选的多种接口、低成本的散热和简洁的机械设计。

（1）宽广的功率范围

SEMiX-IGBT系列模块的主要优势在于其宽广的功率范围，可以提供三种安装尺寸：SEMiX-IGBT 2、SEMiX-IGBT 3和SEMiX-IGBT 4。每个模块内部分别包括了2个、3个或4个并联的半桥。在此基础上，该系列所有的模块都具有相同的宽度与不同的长度。因此，在宽广的功率范围内，单一的机械结构可以接纳不同长度的模块。

（2）SEMiX外壳的特点

由于市场越来越倾向于结构紧凑的功率电子系统，IGBT模块的外形尺寸也越来越小。因此，SEMiX-IGBT系列模块的主回路端子的高度设计为17mm。两个AC和DC端子分别位于模块的上下两侧，使应用中的连接更为方便。

主回路端子的设计排列允许将驱动器置于模块的顶端，SSEMiX-IGBT系列模块的压盖还提供了一个附加的功能：由PCB构成的压盖带有一个夹层，该夹层可以连接到模块的底板上，用以增强对EMI的屏蔽作用。另外，内置的栅极-发射极电阻可以保护栅极不被“悬空”。每个SEMiX模块包括一个具有NTC特性（型号为KG3B-35-5）的集成温度传感器，用来监测模块的温度。SEMiX-IGBT系列模块还为顶部的IGBT设置了一个集电极传感端子。SEMiX-IGBT系列模块的功率端子是直接焊接到DCB基片上的，从而最大限度地优化了功率端子的散热，并极大地降低了连线损耗，充分地发挥了沟槽式IG-BT的优势。

（3）SEMiX-IGBT系列模块的功率等级和芯片技术

SEMiX-IGBT系列模块包括600V、1200V和1700V三个电压等级。在所有三个电压等级中，IGBT沟槽式技术与高电流密度的CAL-HD二极管相结合。而在1200V的电压等级中，还采用了SPT-IGBT（软穿通型IGBT）和CAL二极管的组合，特别适用于开关频率较高的电路应用。

（4）六单元与半桥封装

在功率电子线路中最常用的电路是三相逆变桥。SEMIKRON为这类电路结构提供了六单元封装和三个半桥封装。高端或低端的制动斩波器具有和半桥相同的封装形式，从而简化了变频器的机械结构设计。可选择采用集成的六单元或分立的三个半桥来构成一个三相逆变器。

当半桥IGBT模块的相互间隔为42mm时，与六单元模块相比较，其对环境的热阻降低约20%。这一热阻降低可以被用来提高输出电流（因为焊接的主回路端子不再成为限制电流的因素），或被用来减小散热成本（散热器、风扇），或者利用结温降低了10℃的容限，使功率循环的次数加倍。

（5）驱动器接口

目前，市场上的IGBT模块为驱动器提供了标准的可焊接或即插式接口。接口端子定义主要由模块的内部结构来决定，并不一定与变频器设计所需的最佳排列相吻合。在SEMiX-IGBT系列模块中，将提供了灵活的输出接口，用以解决模块接口端子与变频器设计所需的最佳排列问题。该接口共有三个选项：

1）焊接或即插式接口；

2）为用户定做的卡接式接口；

3）优化过的赛米控IGBT驱动器。

SEMiX-IGBT系列模块成了当今IGBT和续流二极管最前沿的芯片技术，模块的外形结构使变频器在宽的电流和电压范围内（190～1000A；600V、1200V、1700V）设计更紧凑、性价比更优良。SEMiX-IGBT系列模块提供多种驱动器接口，其集成的基本功能有：温度传感器、EMI屏蔽、ESD保护等。

2.SKiiPPACK系列模块

SKiiPPACK系列模块与传统的IGBT模块有所不同，在SKiiPPACK系列模块中，带有IGBT和二极管芯片的DCB基片不再是被焊接于一块铜底板上，而是借助一个合成材料的压力单元，将其几乎整个地直接压在散热器上。通过压接端子和低电感的引出线使得DCB与SKiiPPACK的功率端子形成电气连接，而功率端子是专为连接叠片式低电感集流铜排而设计的。在SKiiPPACK的封装内部还采用了一块金属板来作为压力组件以及与驱动电路之间的热屏蔽和电磁屏蔽。

SKiiPPACK系列模块与标准模块相比较，由于采用了并联多个相对较小的IGBT芯片并保证它们和散热器之间的良好接触，使SKiiPPACK系列模块的热阻明显较小，热量得以均匀地分布在散热器上。

SKiiPPACK系列模块具有三种外形尺寸（2、3和4臂结构，GB、GAL或GAR线路）。通过调整每臂的芯片数量以及相匹配的驱动单元可以实现多种电压等级（600V、1200V、1700V）的电路结构，图3-8所示为SKiiPPACK系列模块的两单元（半桥）电路和六单元电路。目前，3300V的SKiiPPACK模块正处于研发状态。除了晶体管和二极管以外，在DCB上还集成了PTC（正温度系数）温度传感器。它的输出信号既可以被直接送入驱动器（限制温度）又可以被用来（在驱动器内被模拟放大后）计算散热器的温度。

图3-8 SKiiPPACK单元电路

a）两单元（半桥） b）六单元

位于SKiiPPACK系列模块交流端子处的电流传感器是用来防止IGBT过电流和短路的。它的信号处理和传递是由SKiiPPACK系列模块内置的驱动器来完成的。驱动器位于压板上，由于电流信号不带电位，它还可以被用作外部控制电路测量组件的实测值。与传统模块相比，SKiiPPACK系列模块具有以下优点：(www.xing528.com)

1）温度循环能力得到改善；

2）基于芯片、DCB和散热器之间的直接热传导，使热阻降低；

3）可以实现非常紧凑的结构，功率密度高；

4）低电感设计，可以有效地降低开关过电压，换句话说，直流母线电压可以提高，干扰可以降低；

5）没有硬注入材料以及内部焊接，因而可以修理和回收；

6）内置优化的智能驱动器；

7）在制造厂就可以进行整个系统的带载测试；

SKiiPPACK系列模块还包含了用于测量交流输出电流的电流传感组件和温度传感组件，而直流母线电压的检测可以通过一个可选的测量组件来实现。驱动器对这些传感信号进行处理，进而实现过电流或短路保护、过温保护、过电压保护以及欠电压保护，同时还可以输出故障信号和一系列的模拟信号，如交流电流的实测值、散热器的瞬时温度以及直流母线电压（可选）。这些信号可以被用于外环的控制。

3.MiniSkiiP系列模块

针对小功率的应用领域，SEMIKRON公司开发研制出MiniSkiiP系列模块。它同样采用压力接触，具有特别灵活和安装简便的特点，MiniSkiiP系列模块的基本组成部分有

1）在DCB绝缘基片上焊接了半导体芯片（IGBT和二极管）以及其他组件（例如电流和温度传感器、电阻和电容等），芯片之间通过键接线连接。

2）含有连接弹簧并灌注了硅胶的外壳，外壳粘接在DCB上。

3）硬质塑料结构。

所有的电气以及至散热器的传热连接是通过一个或两个固定螺栓来实现的。该螺栓将MiniSkiiP系列模块顶盖、PCB、MiniSkiiP系列模块和散热器连接在一起。在这里，MiniSkiiP系列模块的接触弹簧有着多重功能：一方面它提供了位于DCB上的功率半导体与位于PCB上的其他电路之间的电气连接；另一方面在装配好的状态下，它将压力传递给DCB，然后再传至散热器。

由于众多的弹簧分布在MiniSkiiP系列模块的整块面积之上，所以在器件和散热器之间的压力相当均匀，从而保证热阻较低。在电流大于10A的情况下，弹簧可以并联使用。由于弹簧的位置可以改变，因此可以灵活地实现各种不同的电路，可以广泛地用于传动、电源技术或其他电能变换器中。

MiniSkiiP系列模块有多种不同尺寸的外壳用于不同的功率范围。它从MiniSkiiP模块1（电网额定电压至230V，额定电流至12A）起，一直延伸至MiniSkiiP模块8（电网额定电压至400V，额定电流至125A）。标准MiniSkiiP模块电路如图3-9所示。

图3-9 标准MiniSkiiP模块电路

在最大的MiniSkiiP模块封装（MiniSkiiP模块8）中，由于电流较大，接触弹簧被做成桶状。这样一来，在交流输出端还可以集成补偿式的电流传感器。在MiniSkiiP模块8中，为了避免热源太过于集中，整个电路被分开封装于两个外壳之中：其中之一包含了整流桥或半控整流桥以及制动斩波电路，而另一个则包含了三相逆变电路。

4.SEMITOP系列模块

SEMITOP系列模块包含了3种外壳形式，像SKiiPPACK系列模块和MiniSKiip系列模块一样，SEMITOP系列模块也属于不带底板的封装形式。通过一个特殊结构的塑料外壳，整块的DCB被直接压在散热器上。

模块和散热器之间的连接是通过一个或两个紧固螺栓来实现的。与MiniSKiiP系列模块有所不同，SEMITOP系列模块与PCB之间的连接是由两排可焊接的插脚式端子构成的。在一个如此小的模块里最多可以集成12个功率器件。因此，SEMITOP系列模块特别适合空间紧凑场合的应用。另外，由于印制电路板上介于焊接端子之间的面积可以不受限制地被应用，所以在这一点上SEMITOP系列模块优于类似技术的MiniSKiiP系列模块。

5.EconoFourPACK 600V系列模块

EconoFourPACK 600V系列模块采用第二代非穿透型NPT型IGBT芯片和EmCon反向续流二极管，它还包括温度检测NTC，可用于超载，过温保护。对称的芯片分布，合理的引脚设计使得模块内部和功率组件的寄生电感最小；引脚按能量流向分布，母线设计，控制线设计更容易。所有引出脚采用可焊接针，这样便于设计双面覆铜板叠层直流母线，它有很小的寄生电感，如果与EconoBRIDGE整流模块一起构成系统，会使设计更方便，更能体现优良的性能。