【導讀】軌道交通牽引變流器的平臺化設計和易擴展性是其主要發(fā)展方向之一，其對半導體器件也提出了新的需求。一方面需要半導體器件能滿(mǎn)足更寬的電壓等級和電流等級，另一方面也要兼容電力電子器件的新技術(shù)，比如IGBT5/.XT或SiC MOSFET。這樣既有利于電力電子系統的平臺化設計，也可以增加系統的功率密度，減小系統的尺寸和體積。因此，半導體器件需要具有更低的雜散電感、更大的電流等級和對稱(chēng)的結構布局。本文介紹了一種新的用于大功率應用的XHP? 2 IGBT模塊，包括低雜散電感設計原理、開(kāi)關(guān)特性和采用IGBT5/.XT技術(shù)可以延長(cháng)模塊的使用壽命等關(guān)鍵點(diǎn)。
引 言
IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）模塊作為現代電力電子設備能量變換的核心器件已經(jīng)廣泛應用于各種應用中，比如機車(chē)牽引變流器、車(chē)載逆變器、高低壓變頻器、太陽(yáng)能逆變器、風(fēng)電變流器等。在大功率應用中，一般根據系統的電壓、功率、拓撲結構以及其他相關(guān)參數選擇合適的IGBT模塊。由于現有IGBT模塊的封裝、電壓和電流等級各有不同，所以IGBT選型遇到的最典型問(wèn)題是用不同封裝的IGBT滿(mǎn)足系統的電壓和功率需求，從而可能會(huì )極大的限制系統的平臺化設計和可擴展性。鑒于此，新開(kāi)發(fā)的器件封裝需要能同時(shí)兼容更寬的電壓范圍和電流等級。
1. XHP? 2新封裝寄生電感低、兼容多種電壓和更高的電流等級
新一代的XHP? 2封裝采用具有低感應的設計結構，DC(+)及DC(-)端子并排帶狀布置可以顯著(zhù)降低模塊的寄生電感，從而有助于開(kāi)關(guān)器件實(shí)現良好的開(kāi)關(guān)性能[1]。XHP? 2封裝適用于較寬的電壓等級，比如1.2kV, 1.7kV和3.3kV。在低壓應用中，XHPTM 2封裝可以實(shí)現更大的額定電流ICnom=1800A、兼容IGBT5/.XT技術(shù)和在更高的工作溫度Tvj,max=175℃長(cháng)期可靠運行。DC(+/-)端子和母排之間的側位連接接口有助于實(shí)現較低的直流母排寄生電感[2]。輔助端子位于模塊中間區域，有適當的高度和空間用于安裝雙面印刷電路板(圖1)。
圖1 a) XHP? 2封裝的典型外觀(guān)，b)輔助端子示意圖，用于在模塊上方安裝雙面印刷電路板
DC(+/-)主端子之間的距離越小，則模塊的寄生電感會(huì )越低[3]。XHP? 2的DC(+/-)主端子設計如圖2所示，模塊寄生電感Ls<10nH，爬電距離為34mm(紅色箭頭)。如有必要，可以在DC(+)和DC(-)端子之間的凹槽里嵌入絕緣材料來(lái)增加電氣間隙。此外，在直流母排DC(+)和DC(-)之間加一層薄絕緣層，可以降低母排的寄生電感，從而整個(gè)系統的寄生電感也會(huì )降低，這對于充分利用像SiC MOSFET這樣的快速開(kāi)關(guān)器件來(lái)說(shuō)非常重要。
圖2 XHP? 2封裝與直流母排連接示意圖，包括爬電距離和用絕緣材料增加電氣間隙
1.1 模塊主端子的熱特性
1.1.1 主端子損耗仿真
如上所述，XHP? 2封裝可以實(shí)現高達ICnom=1800A額定電流，是高電流密度產(chǎn)品新的里程碑，其對模塊設計也提出了更高的要求，主要挑戰之一是控制模塊內部的溫度和功率端子溫度在合理的范圍。眾所周知，金屬的歐姆損耗與電流成平方關(guān)系，隨著(zhù)電流密度的增加，模塊內部金屬（銅排，綁定線(xiàn)）的損耗快速增加，散熱成為模塊和系統開(kāi)發(fā)需要解決的重要問(wèn)題。溫度與端子的損耗、端子的散熱和模塊基板的散熱密切相關(guān)，在此先通過(guò)熱仿真對端子溫度進(jìn)行初步研究[4]，仿真涉及的相關(guān)參數定義如下，更多說(shuō)明見(jiàn)圖3。
輸入參數：
● Tterminal：端子表面溫度
● Tfoot：模塊內部與基板連接處的主端子溫度
● Tc：芯片下方的基板溫度
● IDC：通過(guò)端子的直流電流（有效值）
輸出參數：
● Pout,terminal：模塊功率損耗
● Tmax：端子的最高溫度
圖3 主端子熱仿真的參數定義
基于Tc~Tfoot=100℃，Tterminal=125℃，圖4給出了端子最高溫度和模塊相電流有效值的對應曲線(xiàn)。流過(guò)直流端子的電流(IDC,RMS)與模塊相電流的關(guān)系參考公式1。
在圖4中，直流端子的電流根據公式1計算。隨著(zhù)相電流的增加，Pout,terminal與相電流呈平方關(guān)系增加。因此，為了實(shí)現更高的電流密度，必須將端子產(chǎn)生的損耗耗散到環(huán)境中。熱量的傳遞方向由主端子的溫度梯度決定，Pout,terminal為正值表示模塊內部的主端子溫度更高。例如，當相電流為1200A時(shí)，交流端子的損耗12W，直流端子的功耗15W，這些損耗都需要耗散到環(huán)境中，以保持Tterminal為125℃。此時(shí)，直流端子和交流端子的最高溫度也比較適中，分別為T(mén)max,DC terminal大約140℃，Tmax,AC terminal大約131℃(圖4)。這些仿真結果是XHP? 2封裝機械設計和用紅外熱成像設備(IR)進(jìn)行模塊熱驗證的基礎。
圖4 Tfoot=100℃，Tterminal=125℃時(shí)，交流、直流端子的耗散功率與輸出相電流的關(guān)系，Pout,terminal>0W表示熱量從模塊散出，Pout,terminal<0W表示熱量進(jìn)入模塊
1.1.2 基于直流負載的紅外熱成像溫度測試
除了熱仿真模擬，還需要用紅外熱成像設備實(shí)測XHP? 2模塊主端子的溫度。用于熱測試的XHP? 2模塊需要去除外殼，把內部涂黑（比如用黑色啞光漆均勻噴黑），直流端子與直流母排連接，交流端子與交流銅排連接。
圖5 XHP? 2模塊（不帶外殼，涂黑）的紅外熱成像圖，直流端子的負載電流IDC=876A，FWD平均結溫TJ,av~175℃，直流(-)端子Tfoot~113℃，直流(-)端子Tterm~137℃，螺釘位置Tterminal,DC(+/-)~110℃
圖5是基于水冷系統，TC≈120℃，IDC=876A工況下的直流端子紅外熱成像圖。根據公式1，直流負載電流等效于相電流Iphase,leg=1238Arms。直流負載電流從直流(-)端子經(jīng)過(guò)下橋臂的二極管，上橋臂的二極管，然后從直流(+)流出，直流端子附近的溫度低于125℃。交流端子的熱測試也采用類(lèi)似的水冷裝置，圖6為T(mén)C≈120℃，IDC=1100A工況下交流端子的紅外熱成像圖。電流從交流端子流入模塊，經(jīng)過(guò)下橋臂的IGBT和上橋臂的二極管，然后從直流端子流出，交流端子附近的溫度較低，約為85℃。
需要說(shuō)明的是，上述熱仿真和熱測試的條件不同，所以不能直接比較溫度結果。但是在模塊進(jìn)行機械設計的初期，可以用熱仿真初步評估端子的溫度，更好的優(yōu)化端子設計。
圖6 XHP? 2模塊（不帶外殼，涂黑）的紅外熱成像圖，直流端子的負載電流IDC=1100A，下橋臂IGBT平均結溫TJ,av~132℃，交流端子Tfoot~107℃，交流端子Tterm~100℃，螺釘位置Tterminal,AC~85℃
1.2 XHP? 2的動(dòng)態(tài)開(kāi)關(guān)特性
圖7是模塊的電路圖和俯視圖。紅色實(shí)線(xiàn)長(cháng)方形內的端子是下橋臂IGBT的輔助發(fā)射極主端子8，紅色虛線(xiàn)長(cháng)方形內的端子是上橋臂IGBT的輔助發(fā)射極主端子12。端子8（12）在模塊內部與主電路相連，它們和發(fā)射極輔助端子15（11）之間有漏電感，漏電感在di/dt變化階段產(chǎn)生的電壓降可以用于控制IGBT的瞬態(tài)行為[5]，所以如果有必要，可以通過(guò)端子8（12）設計更復雜的門(mén)極驅動(dòng)。
圖7 XHP? 2模塊的電路圖和俯視圖
XHP? 2模塊是半橋結構，與上一代單開(kāi)關(guān)IGBT模塊IHM/IHV相比，XHP? 2的IGBT和二極管之間的換向發(fā)生在模塊內部，所以它的換流電感更小。采用英飛凌的第五代IGBT（二極管）芯片和.XT連接技術(shù)，1700V XHP? 2模塊的最大電流可以達到1800A，連續工作結溫度Tvj,max為175℃。
圖8給出了IGBT FF1800XTR17T2P5(1800A/1700V)在結溫Tvj=25℃和175℃時(shí)的開(kāi)通、關(guān)斷和二極管反向恢復測試波形。母線(xiàn)電壓UDC=900V，集電極電流 ICnom=1800A，換流回路的總雜散電感LS≈30nH。以25℃時(shí)的關(guān)斷波形為例，IGBT的過(guò)壓尖峰ΔUC≈300V，比較小。為了避免使用外加的集電極-發(fā)射極鉗位電路，必須盡量減小系統的換流電感，以降低關(guān)斷過(guò)電壓尖峰。
圖8 額定條件下，FF1800XTR17T2P5在Tvj=25℃和175℃時(shí)的測試波形：a)IGBT開(kāi)通；b)IGBT關(guān)斷；c)二極管反向恢復
另外，圖8中的所有波形都很平滑，沒(méi)有任何震蕩。如圖1所示，直流(+)和直流(-)功率端子的結構布局也為XHP? 2模塊的并聯(lián)進(jìn)行了優(yōu)化。圖9中兩個(gè)并聯(lián)模塊的開(kāi)通特性非常相似，均流效果也非常好。
圖9 兩個(gè)并聯(lián)模塊的開(kāi)通波形，藍色是左模塊，紅色是右模塊
如果沒(méi)有對模塊內部的上橋臂器件和下橋臂器件進(jìn)行優(yōu)化布局，則會(huì )導致上下橋臂的阻抗不相等，開(kāi)通波形也會(huì )不對稱(chēng)。由于XHP? 2模塊對芯片布局和換流環(huán)路進(jìn)行了優(yōu)化設計，所以可以實(shí)現上下橋臂阻抗平衡和對稱(chēng)的開(kāi)關(guān)特性。圖10是同一個(gè)IGBT模塊上橋臂和下橋臂的開(kāi)通波形，可以看出，波形非常相似[6][7]。
圖10 FF1800XTR17T2P5上橋臂和下橋臂IGBT開(kāi)通波形，VCE=700V,IC=1800A,Tvj=25°C
2.XHP? 2產(chǎn)品開(kāi)發(fā)滿(mǎn)足系統應用需求
新的封裝通常會(huì )兼容更高的電流密度，將其和新的IGBT技術(shù)結合在一起，可以增加系統的功率密度、減小系統的尺寸和體積。此外，對于牽引變流器而言，器件的使用壽命也是非常重要的選型依據。例如，城市交通工具主要用于人們在市內日常通勤，當車(chē)輛行駛或加速時(shí)，變流器中的能量主要通過(guò)IGBT芯片；當車(chē)輛制動(dòng)時(shí)，制動(dòng)能量主要通過(guò)二極管芯片。圖11是地鐵電力驅動(dòng)系統工作周期的簡(jiǎn)化示例圖[8]。
圖11 典型的地鐵工作周期：行駛，制動(dòng)和停止
在日常運行中，地鐵短距離的啟動(dòng)和停止給變流器的功率模塊帶來(lái)了巨大的溫度變化應力，也稱(chēng)為溫度循環(huán)應力。在IGBT模塊內部，綁定線(xiàn)和芯片的連接處以及芯片和基板的連接處都承受著(zhù)由工作結溫波動(dòng)和溫度持續時(shí)間導致的機械應力，所以IGBT模塊的標準連接技術(shù)（鋁綁定線(xiàn)，芯片標準焊接）也主要面臨芯片焊層退化和鋁綁定線(xiàn)斷裂或者脫落等失效現象。因此，IGBT模塊在變流器所有工況下的預期壽命是其選型的評估標準之一。為了實(shí)現變流器的預期壽命，地鐵目前使用的IGBT模塊通常是過(guò)設計。選擇電流等級大一檔的模塊，或者使用電流等級小的模塊并聯(lián)，以減小模塊的熱應力，滿(mǎn)足變流器預期壽命要求。因此，牽引變流器的IGBT模塊工作結溫通常明顯低于模塊規定的最高溫度，IGBT的出力能力沒(méi)有得到充分利用。
為了使IGBT更好的匹配變流器的需求，必須改進(jìn)上述模塊內部的退化、脫落或者斷裂等失效機制，或者如有可能，完全消除這些失效機制，從而增加器件的預期壽命和輸出電流。1700V XHP? 2模塊采用了英飛凌最新和最堅固的第5代IGBT和二極管芯片，外加.XT連接技術(shù)，所以它具有非常強大的溫度循環(huán)能力[9]。為了量化這種效果，我們對使用IGBT5和.XT的XHP? 2模塊與使用IGBT4和標準連接技術(shù)的IHM模塊進(jìn)行了比較。假定牽引變流器典型的壽命目標為25年，即每年的壽命消耗低于4%?；诘罔F電驅動(dòng)系統的典型工作周期(圖11)，圖12給出了IGBT結溫(紅色)、二極管結溫(綠色)和基板溫度(藍色)的變化曲線(xiàn)。IHM模塊（1200A, 1700V，IGBT4）的壽命消耗約為每年6%，其總的等效壽命大約為16年，明顯低于25年壽命要求，因此需要增加模塊電流，例如模塊并聯(lián)，以滿(mǎn)足壽命要求。與IHM模塊相比，XHP? 2的最高溫度和溫度變化略微高一些，但由于采用了.XT連接技術(shù)，其壽命消耗顯著(zhù)降低，約為每年2.8%，總的等效壽命大約為36年。
對于上述這種典型的應用，1200A,1700V XHP? 2模塊完全符合變流器的預期壽命要求。由于模塊的壽命消耗取決于實(shí)際工況，其壽命在不同條件下可能會(huì )不同。因此，模塊的壽命消耗需要根據模塊種類(lèi)和具體工況進(jìn)行單獨評估。
圖12 基于標準的城市地鐵交通工作周期的IGBT結溫，IHM(上圖)和XHP? 2(下圖)
總結
本文介紹了適用于下一代大功率應用的XHP? 2封裝,它能兼容3.3kV及以下電壓等級和高達1800A的電流等級，同時(shí)還具有雜散電感低、結構對稱(chēng)、適合快速開(kāi)關(guān)器件如SiC-MOSFET等特性。隨著(zhù)電流密度的增大，模塊功率端子的損耗成為一個(gè)重要的問(wèn)題，通過(guò)端子的優(yōu)化設計可以降低它的電阻和損耗，但不能消除它們，所以應該在系統設計中進(jìn)行考慮。英飛凌公司的IGBT5和.XT技術(shù)使功率模塊具有極其強大的溫度循環(huán)耐受能力和預期壽命，基于城市地鐵交通典型工況的對比分析也驗證了XHP? 2模塊（1700V，1200A）可以提升模塊輸出電流和變流器工作壽命，因此它非常適合城市應用對牽引變流器的平臺化設計需求。
參考文獻
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[9] W. Rusche, N. Heuck: Lifetime Analysis of PrimePACK? Modules with IGBT5 and .XT, Bodo′s Power Systems, July 2016, 18-21
來(lái)源： 英飛凌
作者：Waleri Brekel, Wilhelm Rusche, Alexander H?hn, Wolfgang Bücker
翻譯：馬新
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