前言

使三個(gè)或多個(gè)單獨(dú)用一系列650VIGBT芯片串聯(lián)封裝的功率模塊構(gòu)成三電平電路拓?fù)鋪?lái)替代傳統(tǒng)的1200V兩電平模塊，可以達(dá)到高的耐壓要求，而且這些個(gè)相同的模塊進(jìn)行電氣連接時(shí)使功率器件分開安裝，優(yōu)化熱管理，不僅提高轉(zhuǎn)換效率，系統(tǒng)可靠性，同時(shí)還降低成本。

三電平模塊封裝特點(diǎn)

對(duì)于多個(gè)芯片集成封裝到一個(gè)模塊中，其結(jié)構(gòu)和芯片設(shè)計(jì)有一定的復(fù)雜程度，如下圖為SilverMicro最新封裝模塊650V/300ANPC電路拓?fù)?/p>

圖1    650V/300A三電平NPC電路拓?fù)涞哪K內(nèi)部芯片布局和工藝

模塊內(nèi)部封裝了四組IGBT芯片和四組FWD芯片，可以緊湊的達(dá)到右圖電路的結(jié)構(gòu)。

如圖所示，DC+，DC-兩端為DC電壓的正負(fù)極，N為中點(diǎn)。整個(gè)電路被中點(diǎn)分成了對(duì)稱的兩個(gè)部分。其工作過(guò)程如下，在正半周期內(nèi)VT3常開，VT1、VT4交替導(dǎo)通，VT1導(dǎo)通時(shí)電流通過(guò)VT1流經(jīng)VT3直至負(fù)載端，輸出電壓值為DC+，VT4導(dǎo)通時(shí)，鉗位二極管導(dǎo)通，電流通過(guò)VT4流經(jīng)VD2直至地端，輸出電壓為零。在負(fù)半周期內(nèi)，VT4一直導(dǎo)通，VT2和VT3輪流導(dǎo)通，輸出的電壓為零和DC-。整個(gè)過(guò)程中輸出的電壓對(duì)應(yīng)為DC+、零和DC-三種，所以稱其為三電平電路拓?fù)洹?/p>

通過(guò)以上對(duì)三電平電路拓?fù)涔ぷ鬟^(guò)程的描述，我們可以知道，在三電平電路拓?fù)渲?，每個(gè)IGBT承受的關(guān)斷電壓為總線電壓的50%，這樣在相同總線電壓的情況下，對(duì)于IGBT的耐壓就減少了一半，不僅降低成本更提高了輸出容量。

IGBT芯片使用溝槽行技術(shù)，具有低的導(dǎo)通電壓，關(guān)斷快速，低拖尾電流等特點(diǎn)，同時(shí)IGBT芯片的結(jié)溫可達(dá)到175℃，提高了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，同時(shí)要求二極管的結(jié)溫同樣可以達(dá)到175℃。

與國(guó)外封裝的比較

圖2    與國(guó)外模塊內(nèi)部封裝工藝比較

上圖是SME三電平650V/300ANPC封裝與國(guó)外封裝的比較，為了提高模塊應(yīng)用可靠性和系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，目前大部分封裝采用電極焊料焊接工藝，功率電極與DBC之間的連接使用焊料進(jìn)行焊接，長(zhǎng)期使用時(shí)，模塊在高低溫循環(huán)條件下會(huì)產(chǎn)生焊接疲勞，使電極焊接部分產(chǎn)生裂紋最終導(dǎo)致脫落失效。SME三電平模塊去除電極引線使用焊料焊接工藝而采用超聲焊接技術(shù)，并且使用可靠性較高的Al-Ni超聲焊接技術(shù)，工藝路徑簡(jiǎn)單，提高模塊的溫度循環(huán)能力。信號(hào)引線利用合理的芯片布局設(shè)計(jì)和工藝來(lái)實(shí)現(xiàn)了直接鍵合引線到電極上，與使用飛線焊接連接比較，大大提高了可靠性的同時(shí)也降低了門極寄生參數(shù)，在高頻系統(tǒng)中使用優(yōu)化其驅(qū)動(dòng)信號(hào)的特性。

靜態(tài)輸出特性

最新Trench技術(shù)的650V芯片具有低導(dǎo)通電壓特性，如圖3在VGE=15V,Ic=300A額定電流，Tj=125℃條件下IGBT芯片的VCE(on)=1.6V,二極管的正向?qū)妷簽閂F=1.5V，與兩電平模塊相比，相同電流下，模塊的損耗較小，系統(tǒng)的溫度變化小，很大程度上提高系統(tǒng)的效率和可靠性設(shè)計(jì)。

圖3    GTR300TL65T2SIGBT和FWD正向輸出特性

靜態(tài)導(dǎo)通特性決定器件在開通狀態(tài)下?lián)p耗，根據(jù)Pon=VCE(on)×Ic得出VCE(on)越小，損耗越小，導(dǎo)通電壓值為系統(tǒng)過(guò)流保護(hù)提供設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

開關(guān)特性

大部分650V的芯片特性與600V芯片相同，在開關(guān)過(guò)程中具有高的di/dt,dv/dt，而大部分高效率電源系統(tǒng)，設(shè)計(jì)者都希望器件關(guān)斷速度越快，拖尾電流越小，這無(wú)疑給系統(tǒng)設(shè)計(jì)增加難度.GTR300TL65S芯片在開關(guān)特性上進(jìn)行優(yōu)化。圖三是利用雙脈沖電路測(cè)試模塊開通特性波形。

圖4：GTR300TL65T2S開通特性                          圖5：國(guó)外模塊開通特性

Vcc=300V,Ic=300A,Rg=10?,Tj=125℃               Vcc=300V,Ic=300A,Rg=10?,Tj=125℃

紅色：電壓VCE;藍(lán)色：電流Ic                             紅色：電壓VCE;藍(lán)色：電流Ic

從開通特性表現(xiàn)，反并聯(lián)二極管的選擇對(duì)開通特性影響較大，二極管恢復(fù)速度越快帶來(lái)的di/dt越高，所產(chǎn)生的電壓震蕩就會(huì)很大，如上圖所示,GT300TL65T2S在開通狀態(tài)下二極管的恢復(fù)封裝電流較小，電流恢復(fù)特性較軟，帶來(lái)的開通狀態(tài)下波形震蕩較小。

對(duì)于耐壓為600V,650V器件通常應(yīng)用在電源系統(tǒng)中，要求其關(guān)斷特性越快，而快電流關(guān)斷時(shí)間帶來(lái)高的di/dt，由于存在寄生電感，根據(jù)可以得出，di/dt越高，系統(tǒng)的反向關(guān)斷電壓越高，器件就越危險(xiǎn)，所有降低系統(tǒng)的電感和合理設(shè)計(jì)吸收電路成為設(shè)計(jì)的工作重點(diǎn)與難點(diǎn)。

模塊在封裝技術(shù)上同樣要求降低模塊內(nèi)部寄生電感，合理的芯片布局，使得芯片引線越電極之間電流路徑越短越緊湊設(shè)計(jì)較好，如下圖為三電平模塊的典型開關(guān)特性。

圖6：GTR300TL65T2S關(guān)斷特性                        圖7：國(guó)外模塊開通特性

            Vcc=300V,Ic=300A,Rg=10?,Tj=125℃         Vcc=300V,Ic=300A,Rg=10?,Tj=125℃

            紅色：電壓VCE;藍(lán)色：電流Ic                           紅色：電壓VCE;藍(lán)色：電流Ic

上圖為GTR300TL65T2S在相同條件與國(guó)外模塊關(guān)斷特性對(duì)比，從波形來(lái)看650V的芯片大部分廠家電流關(guān)斷速度非?？?，拖尾電流基本接近零，基本上是目前市場(chǎng)上廠家芯片技術(shù)的共同點(diǎn)，高頻系統(tǒng)中芯片關(guān)斷特性越快，可以降低死區(qū)時(shí)間的設(shè)置，從而提高逆變器輸出的線性。

芯片布局熱模擬計(jì)算

數(shù)值計(jì)算技術(shù)的發(fā)展為半導(dǎo)體產(chǎn)品的開發(fā)提供了便利，大大縮短了其設(shè)計(jì)周期。利用有限元分析軟件計(jì)算了T2S模塊的溫度場(chǎng)，驗(yàn)證了模塊多芯片布局的合理性。

首先，根據(jù)模塊結(jié)構(gòu)，進(jìn)行一定的簡(jiǎn)化，根據(jù)模塊的對(duì)稱性，取其一半建立1/2模型，由于硅膠導(dǎo)熱系數(shù)很小，在計(jì)算時(shí)未建模，并將硅膠覆蓋的表面作為絕熱邊界條件。模塊的3D模型及網(wǎng)格網(wǎng)格如圖（8）所示

圖8    T2S模塊模型與網(wǎng)格劃分

然后根據(jù)模塊的工作負(fù)荷確定有限元分析的載荷與邊界條件，將芯片的發(fā)熱作為內(nèi)熱源處理，銅底板為定溫邊界條件，溫度為25℃。計(jì)算得到的溫度云圖如圖（9）

圖9    模塊溫度分布

從模塊溫度分布云圖可以看出，IGBT與二極管的溫度高于四周，最高結(jié)溫點(diǎn)位于IGBT芯片中心，為84.6℃。由于模塊空間有限，雖然芯片與芯片之間存在不可避免的熱耦合，但合理芯片布局使的整體來(lái)看模塊熱設(shè)計(jì)滿足工作要求。

結(jié)論

使用多個(gè)650V芯片集成到一個(gè)封裝模塊里的三電平NPC電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在UPS，PV等高頻電源系統(tǒng)中應(yīng)用，與兩電平模塊相比較降低器件開關(guān)損耗，優(yōu)化了濾波效果，提高輸出電流質(zhì)量。利用較為優(yōu)化芯片布局，低電感設(shè)計(jì)，電極超聲焊接等封裝技術(shù)來(lái)提高器件可靠性，給系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了具有很高優(yōu)勢(shì)的接近方案。