1 引言
當功率模塊集成到逆變器平臺時，必須要考慮熱、電和機械方面的制約。primepacktm封裝提供了igbt功率開關和逆變器外圍之間一個實用的接口。該文詳細地說明了primepacktm模塊集成到逆變器中的過程，并吸收了modstacktm[2]逆變器的設計經驗。
介紹了modstacktm逆變器系列模塊的設計概念。通過單元并聯提高輸出電流能力，用優化冷卻概念改善了每個單元所用散熱面積的利用率，并降低了熱阻。
驅動和控制電路通過不同的方式實現，我們推薦兩種集成度不同的解決方案，并討論了每種驅動結構的優點。
igbt模塊輸出電流能力會制約整個逆變器的功率密度。分析了極端的單脈沖條件下的安全開關。最大結溫是igbt開關運行的限制因素。primepacktm封裝將igbt工作結溫提高到150℃，并給出了在苛刻條件下逆變器性能和電流利用率的情況。
2 逆變器結構：調制率和控制功能
由于功率轉換電路的基本拓撲結構非常相似，因此由功率元件組成的模塊化系統將是多樣化的。制造商能夠靈活地構建系統，將注意力集中在自己的核心競爭力上。功率變換解決方案認同的設計套件modstacktm是由用于熱管理、電氣與機械互連以及控制與功率單元接口的oem（初始設備制造廠）元件組成。用modstacktm組件能實現不同的電路拓撲結構，擴展系統功率范圍。
通過選擇適合的igbt半橋模塊，能實現最常用的拓撲結構（b6u+b6i、b6i+b6u等）。為了確保高達1070v的電壓下能夠安全工作，功率單元的直流鏈接電路使用了高電壓電解電容。監控單元能提供信息來檢測相電流、直流電壓、通態電壓和散熱器溫度等4個參數，以滿足各種不同的應用。并用igbt驅動器核（eicedrivertm）來組裝。圖1給出單個逆變器用的各種功能元件。
圖1 用primepacktm igbt半橋模塊組裝的模塊化modstacktm功率單元
modstacktm能夠利用4個機械平臺。在平臺內，機械設計是固定的，因此只能使用機械接口相同、額定值不同的電氣元件來實現不同的設計。為了節省設計和制造的成本，按工業界認可的機殼，設計了模塊的疊層系統，并采用強制風冷或水冷方式。
正如圖1所示，安裝了多達4個modstacktm單元的并聯電路板，連結成平行結構，可達到最大程度的擴展。并聯是將各個功率單元的相電流相加。為了確保整個系統的電氣連接平衡，所有的電氣連接、功率母線和機械接口都是對稱的。此外，所有逆變器單元平分等于冷卻的功率。這樣必須降低額定因數。并聯設置能夠使每個單元輸出95%的額定功率。
modstacktm最初是為ihm模塊設計的，現在也適用于primepacktm封裝（圖2）。兩種封裝（primepack2tm：169×86mm2和primepack3tm：247×86mm2）的底座是兼容。它們在模塊調測時可利用的。
圖2 按照圖1的結構，裝有primepack2tm的modstacktm功率單元
模塊化的功率電子設計需要合理的監視和控制架構來輔助。多達4個相同的單元可以并聯在一起。每個單元按圖3所示的流程產生和處理不同的監控信號。當超過功率單元的設定限制時，單元將被關斷并產生相應的故障信號。系統控制的電氣接口部分有濾波器和良好的接地。為了抑制控制器的噪聲電平，還提供了一個光學接口單元（參見圖１）。
圖3 監控信號流程和控制板功能
為了迅速地對過溫故障信號進行響應，用快速模擬電路來計算虛擬芯片溫度。為了考慮散熱器溫度、輸出電流、直流線電壓和開關頻率等參量，用圖４所示的邏輯陣列來組合。
圖4 用簡化模型把ths、iuvw、fsw和vdc組合到一起
來計算芯片溫度tvj,si的快速模擬電路邏輯陣列
用過載保護邏輯來考慮故障的不同根源。表1列出3種在不同時間范圍內引起系統關閉的過載情況。
表1 過載保護的機理
圖5 vcesat檢測回路在igbt退飽和后關斷波形（ch1=負載電流、ch2=igbt集電極電流、ch3=igbt門極電壓、ch4=igbt集電極電壓）
圖5示出通過vcesat監測對有源過電流保護的實例。primepack2tm igbt ff600r17ie3在1.3μh電感的回路發生短路。dc鏈接電路的電壓為900v。半橋結構上下兩相處于關斷狀態，900v直流電壓由igbt承受。在t1時刻，igbt導通，vce（ch4）下降，流過短路（ch2）的電流ic增大。在t2時刻，ic達到退飽和水平，被igbt穩定在2ka。直流鏈線電壓全部加在igbt上。這一情況被vcesat檢測后，在2.8μs內的t3時刻，短路被關斷。
3 風冷散熱器的熱特性和優化布局
primepacktm通過減小基板和散熱器之間的熱阻rthch來改善熱特性。由于primepacktm封裝采用矩形底座，固定基板與散熱器的螺絲間距可以很小，使元件之間總的接觸面積很大，因此，導熱脂的厚度dg<50μm。高熱導率λ=385w/mk的銅基板能確保有效地散熱。在實驗裝置中rthch是在水冷系統散熱器上測得的，從rthch的角度來講這是最差的結果，因為水冷系統比風冷系統的散熱效果要差。
散熱器裝有的一套熱電偶能夠測量模塊基板溫度（tc）和內部散熱器靠近表面的溫度（ths）。熱電偶按圖 6（tc1和yc2）所示方式放置在產生熱量的器件下方。
圖6 包括熱電偶位置的測量裝置剖面原理圖
測量裝置的整體幾何結構沿圖6中的虛線對稱分布。如果能夠計算功率模塊中全部的功耗（pel），則用下面的公式來估算rthch：
研究了將模塊基板安裝到散熱器之前其上所使用導熱脂的多少對散熱的影響。所使用的是λ=1w/mk的導熱脂。先對primepacktm2封裝接著對igbt和二極管進行測量，再將這兩個值并聯可計算出rthch。測試結果如圖7所示，其中rthch為導熱脂厚度dg*的函數。
得出的結果如下：
圖7 在安裝前測得的rthch和導熱脂厚度dg*之間的關系
如果用100μm厚間隔條確保在安裝后能滿足dg=100μm，則測得的值為rthch～10k/kw。這與我們簡單地假設只有絕緣襯底下的面積而不是整個基板參與熱交換時所得的計算值相近。
如果在安裝時沒有留出間隙，則得到的rthch值較小，且在dg*>50μm的范圍內與所用導熱脂的多少幾乎無關。這是因為由于前面提到過安裝螺絲的間距很小，使得多余的導熱脂在安裝過程中被擠出。此外，在銅基板與散熱器之間所用安裝螺絲附近的金屬接觸部分起到了熱傳遞的作用，且其完全不依賴于導熱脂的厚度。通常，逆變器中primepacktm模塊的rthch對于在安裝過程中使用導熱膏的方法十分敏感。這樣的封裝形式使熱管理更加可靠。
在dg* <50μm條件下，rthch能達到4～5k/kw。隨著dg*的減小，熱阻不會降低到0。 即使導熱脂厚度小到可以忽略的程度，由于金屬表面之間存在接觸，仍然存在殘余的熱阻。
圖8 測量rthha的實驗裝置（直流電流流入固定在primepacktm基板上的電阻，基板被安裝在鋁制的風冷散熱器上）
散熱器和周圍空氣間的熱阻由rthha值來表征，取決于igbt模塊是如何放置在散熱器表面的。為了找到最優形狀，用具有明確定義熱源的電阻來測量rthha。正方形電阻模塊被固定到primepacktm的基板上作為參考（如圖8中把4個電阻放在長247mm的基板上）。使用參考模塊有如下好處：
● 精確定義耗散的熱量
● 測量的高重復性
● 簡單的裝置能夠快速評估不同布局的基板（如不需要母線）。
使用下式計算rthha
環境溫度ta在氣流的入口處測得。為了測量散熱器溫度ths，在散熱器表面磨出一些小槽來使熱電偶能靠近模塊基板。最熱點（最高的ths）通常處于靠近基板中心的位置，在rthha的公式中使用的就是用這一點的溫度。pel為每個primepacktm樣機上電阻的能耗。
為了能夠找到最優形狀，簡單地對參考模塊進行處理進而改變布局。通常，模塊之間的間距以及模塊與散熱器邊沿的間距都應盡可能地大。矩形模塊的縱軸與散熱器的鰭平行時比垂直時的熱積累和rthha值都要小。圖9為不同封裝模塊之間的比較。primepacktm3（247×86mm2）封裝具有最小值，因為它與散熱器（圖9中右側坐標軸所示）的接觸面積最大。
圖9 風冷散熱器上不同參考模塊，通過實驗得到的rthha的值
（表面=400×400mm2，高度=88mm）
4 驅動器與功率系統的接口設計和功能
模塊化igbt組件中所使用的驅動由eicedrivertm系列中的2ed300c17-s或2ed300c17-st構成，其能提供電源、隔離控制信號以及短路保護。為了提高組件的模塊化程度、不同逆變器拓撲結構的靈活性和可變的輸出功率，每個igbt模塊都裝有適配板。與primepack2tm igbt半橋ff800r12ie4配套開發的適配板具有無源和有源兩種版本。
適配板主要用來確保驅動器和所控igbt之間具有簡單可靠的連接。此外，適配板還能夠實現擴展功能，使像門極電阻、飽和電壓檢測二極管和ge之間的電壓抑制二極管都盡可能靠近igbt門極，使在集電極－柵極之間有源鉗位系統有較低回路電感。primepacktm封裝輔助端子的布局簡化了安裝在模塊頂部驅動器電路板的布局。通過使用有源適配板，靠近柵極的驅動功率放大輸出級極大地減小了柵－發射極回路的寄生電感。低感性和快速輸出功率放大級設計不但能放大驅動器的控制信號，還能將此信號與來自有源電壓鉗位系統的反饋電流混合，并擴展一些成熟方案，如對igbt關斷過電壓快速保護dvrc。
模塊內部硅的結溫tvj受到功耗的影響。逆變器的設計必須保證功耗被均勻地分布到在所有工作的模塊上。這將受到驅動器與igbt模塊連接方式的影響。從如圖10a所示中看出當用無源適配板時開通能量eon依賴于驅動器和igbt模塊之間電纜的長度。當長度從7cm增加到50cm時，eon降低了32%。當在較大的逆變器系統中結構不能滿足每個外殼之間有相同的驅動-模塊間距時，這一不利因素的影響尤為嚴重。開通能量降低似乎對igbt有利，但由于二極管的恢復作用，更快的開關速度會使峰值電流有少量的增加（圖10b）。因此，要考慮到續流二極管內部所產生較高的峰值功耗所引起的局部過熱。如果無源適配板被有源替代，eon和峰值電流imax將不依賴于門極電感。只能通過柵電阻來調節。
圖10 a/b(上/下) 開關參數eon(上)和imax(下)與連接igbt和驅動器電路板ff800r12ie4的電纜長度間的關系（udc=600v、ic=800a、tvj=25℃）
無源或有源適配板均能驅動primepacktm igbt。表2總結了兩種方案各自的優點和缺點。
5 逆變器性能
在實驗室條件（vcc=900v、fsw=2.5khz、f0=50hz、cos(ф)=0、ta=24℃）下，對ff600r17ie3 primepack2tm模塊的modstacktm逆變器進行了測量。熱測量表明如果用igbt模塊作為熱源，與第3節給出的結果相比，風冷散熱器的rthha增大了15%，因此每個模塊的rthha為47k/kw。這是因為扁平電阻所產生的熱量比實際的igbt和二極管所產生熱量分布更加均勻。最大rms電流作為結溫tvj的函數。當tvj，max=125℃（150℃）時，irms=380a（440a）。在440arms下，igbt運行達到其標稱電流ic=600a。圖11為在運行逆變器上所記錄的關斷波形，證實了工作點能夠被成功地控制。
圖11 在vce=900v、ic=600a、tvj=145℃、irms=440a、rg=1.6時igbt的關斷波形，當逆變器工作在2.5khz時記錄下的
基于測量的rth值和馬達驅動690vrms的應用條件下，對primepacktm和ihm igbt模塊進行比較。過流安全裕量為20%，持續時間為10s。由于primepacktm封裝的igbt模塊工作結溫最高能達到tvj=150℃。因此，在這一溫度條件下進行相關計算，結果如圖12所示。
很明顯，最大結溫保持在125℃條件下，primepacktm有能力提供更高功率密度。假定tvj能升高到150℃，則irms能進一步增大約25%。今后將集中在這一擴展的溫度范圍內對產品進行驗證。為了確保安全運行，需要對溫度和過電壓進行限制。為了在較高vdc和較快的開關速度條件下運行，模塊和逆變部分裝配須滿足小的雜散電感lσ。
圖12 不同的1700v igbt模塊和額定電流下，modstacktm逆變器中可用的rms電流
primepacktm的特點就是有很小的內部電感[1]。在modstacktm環境下，當igbt導通時測量電流交換的感性壓降，雜散電感lσ大約為42nh。
對于過電壓，由于較高開關速度，低溫運行時是很嚴酷的。圖13為在一定的vce和ic范圍內的過壓情況。即使在最大的電流ic下，系統確保電壓仍安全地小于1700v。
圖13 在室溫、lσ=42nh下，沒有對vce進行鉗位關斷時的vce,max
6 結論
首次將primepacktm igbt模塊集成到現有的逆變器組件中證明是安全可靠的。新型的功率模塊能對諸如熱管理或igbt驅動等重要問題進行很好地優化。實驗室測試證實了primepacktm具有輸出更高功率密度的潛力。當產品在tvj=150℃的條件下工作時，將會發揮其最顯著的優勢。
參考文獻
[1] o. schilling et. al., properties of a new primepacktm igbt module concept…, proc. of pcim, nuremberg, 2005.
：鞏經理
：13915946763
：南京塞姆泵業有限公司
