【導(dǎo)讀】軌道交通牽引變流器的平臺(tái)化設(shè)計(jì)和易擴(kuò)展性是其主要發(fā)展方向之一，其對(duì)半導(dǎo)體器件也提出了新的需求。一方面需要半導(dǎo)體器件能滿足更寬的電壓等級(jí)和電流等級(jí)，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(tǒng)的平臺(tái)化設(shè)計(jì)，也可以增加系統(tǒng)的功率密度，減小系統(tǒng)的尺寸和體積。因此，半導(dǎo)體器件需要具有更低的雜散電感、更大的電流等級(jí)和對(duì)稱的結(jié)構(gòu)布局。本文介紹了一種新的用于大功率應(yīng)用的XHP? 2 IGBT模塊，包括低雜散電感設(shè)計(jì)原理、開關(guān)特性和采用IGBT5/.XT技術(shù)可以延長(zhǎng)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(xiàn)代電力電子設(shè)備能量變換的核心器件已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各種應(yīng)用中，比如機(jī)車牽引變流器、車載逆變器、高低壓變頻器、太陽能逆變器、風(fēng)電變流器等。在大功率應(yīng)用中，一般根據(jù)系統(tǒng)的電壓、功率、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及其他相關(guān)參數(shù)選擇合適的IGBT模塊。由于現(xiàn)有IGBT模塊的封裝、電壓和電流等級(jí)各有不同，所以IGBT選型遇到的最典型問題是用不同封裝的IGBT滿足系統(tǒng)的電壓和功率需求，從而可能會(huì)極大的限制系統(tǒng)的平臺(tái)化設(shè)計(jì)和可擴(kuò)展性。鑒于此，新開發(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(jí)。
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(jí)
新一代的XHP? 2封裝采用具有低感應(yīng)的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，DC(+)及DC(-)端子并排帶狀布置可以顯著降低模塊的寄生電感，從而有助于開關(guān)器件實(shí)現(xiàn)良好的開關(guān)性能[1]。XHP? 2封裝適用于較寬的電壓等級(jí)，比如1.2kV, 1.7kV和3.3kV。在低壓應(yīng)用中，XHPTM 2封裝可以實(shí)現(xiàn)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(zhǎng)期可靠運(yùn)行。DC(+/-)端子和母排之間的側(cè)位連接接口有助于實(shí)現(xiàn)較低的直流母排寄生電感[2]。輔助端子位于模塊中間區(qū)域，有適當(dāng)?shù)母叨群涂臻g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，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(shè)計(jì)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(tǒng)的寄生電感也會(huì)降低，這對(duì)于充分利用像SiC MOSFET這樣的快速開關(guān)器件來說非常重要。
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(xiàn)高達(dá)ICnom=1800A額定電流，是高電流密度產(chǎn)品新的里程碑，其對(duì)模塊設(shè)計(jì)也提出了更高的要求，主要挑戰(zhàn)之一是控制模塊內(nèi)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，隨著電流密度的增加，模塊內(nèi)部金屬（銅排，綁定線）的損耗快速增加，散熱成為模塊和系統(tǒng)開發(fā)需要解決的重要問題。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)，在此先通過熱仿真對(duì)端子溫度進(jìn)行初步研究[4]，仿真涉及的相關(guān)參數(shù)定義如下，更多說明見圖3。
輸入?yún)?shù)：
● Tterminal：端子表面溫度
● Tfoot：模塊內(nèi)部與基板連接處的主端子溫度
● Tc：芯片下方的基板溫度
● IDC：通過端子的直流電流（有效值）
輸出參數(shù)：
● 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(shù)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(duì)應(yīng)曲線。流過直流端子的電流(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(jù)公式1計(jì)算。隨著相電流的增加，Pout,terminal與相電流呈平方關(guān)系增加。因此，為了實(shí)現(xiàn)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(nèi)部的主端子溫度更高。例如，當(dāng)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Tmax,DC terminal大約140℃，Tmax,AC terminal大約131℃(圖4)。這些仿真結(jié)果是XHP? 2封裝機(jī)械設(shè)計(jì)和用紅外熱成像設(shè)備(IR)進(jìn)行模塊熱驗(yàn)證的基礎(chǔ)。
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(fù)載的紅外熱成像溫度測(cè)試
除了熱仿真模擬，還需要用紅外熱成像設(shè)備實(shí)測(cè)XHP? 2模塊主端子的溫度。用于熱測(cè)試的XHP? 2模塊需要去除外殼，把內(nèi)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(fù)載電流IDC=876A，F(xiàn)WD平均結(jié)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(tǒng)，TC≈120℃，IDC=876A工況下的直流端子紅外熱成像圖。根據(jù)公式1，直流負(fù)載電流等效于相電流Iphase,leg=1238Arms。直流負(fù)載電流從直流(-)端子經(jīng)過下橋臂的二極管，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(cè)試也采用類似的水冷裝置，圖6為TC≈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℃。
需要說明的是，上述熱仿真和熱測(cè)試的條件不同，所以不能直接比較溫度結(jié)果。但是在模塊進(jìn)行機(jī)械設(shè)計(jì)的初期，可以用熱仿真初步評(píng)估端子的溫度，更好的優(yōu)化端子設(shè)計(jì)。
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(fù)載電流IDC=1100A，下橋臂IGBT平均結(jié)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)開關(guān)特性
圖7是模塊的電路圖和俯視圖。紅色實(shí)線長(zhǎng)方形內(nèi)的端子是下橋臂IGBT的輔助發(fā)射極主端子8，紅色虛線長(zhǎng)方形內(nèi)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(nèi)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，可以通過端子8（12）設(shè)計(jì)更復(fù)雜的門極驅(qū)動(dòng)。
圖7 XHP? 2模塊的電路圖和俯視圖
XHP? 2模塊是半橋結(jié)構(gòu)，與上一代單開關(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(nèi)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(dá)到1800A，連續(xù)工作結(jié)溫度Tvj,max為175℃。
圖8給出了IGBT FF1800XTR17T2P5(1800A/1700V)在結(jié)溫Tvj=25℃和175℃時(shí)的開通、關(guān)斷和二極管反向恢復(fù)測(cè)試波形。母線電壓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(tǒng)的換流電感，以降低關(guān)斷過電壓尖峰。
圖8 額定條件下，F(xiàn)F1800XTR17T2P5在Tvj=25℃和175℃時(shí)的測(cè)試波形：a)IGBT開通；b)IGBT關(guān)斷；c)二極管反向恢復(fù)
另外，圖8中的所有波形都很平滑，沒有任何震蕩。如圖1所示，直流(+)和直流(-)功率端子的結(jié)構(gòu)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)模塊的開通波形，藍(lán)色是左模塊，紅色是右模塊
如果沒有對(duì)模塊內(nèi)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(dǎo)致上下橋臂的阻抗不相等，開通波形也會(huì)不對(duì)稱。由于XHP? 2模塊對(duì)芯片布局和換流環(huán)路進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，所以可以實(shí)現(xiàn)上下橋臂阻抗平衡和對(duì)稱的開關(guān)特性。圖10是同一個(gè)IGBT模塊上橋臂和下橋臂的開通波形，可以看出，波形非常相似[6][7]。
圖10 FF1800XTR17T2P5上橋臂和下橋臂IGBT開通波形，VCE=700V,IC=1800A,Tvj=25°C
2.XHP? 2產(chǎn)品開發(fā)滿足系統(tǒng)應(yīng)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(jié)合在一起，可以增加系統(tǒng)的功率密度、減小系統(tǒng)的尺寸和體積。此外，對(duì)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(jù)。例如，城市交通工具主要用于人們?cè)谑袃?nèi)日常通勤，當(dāng)車輛行駛或加速時(shí)，變流器中的能量主要通過IGBT芯片；當(dāng)車輛制動(dòng)時(shí)，制動(dòng)能量主要通過二極管芯片。圖11是地鐵電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)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(yùn)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了巨大的溫度變化應(yīng)力，也稱為溫度循環(huán)應(yīng)力。在IGBT模塊內(nèi)部，綁定線和芯片的連接處以及芯片和基板的連接處都承受著由工作結(jié)溫波動(dòng)和溫度持續(xù)時(shí)間導(dǎo)致的機(jī)械應(yīng)力，所以IGBT模塊的標(biāo)準(zhǔn)連接技術(shù)（鋁綁定線，芯片標(biāo)準(zhǔn)焊接）也主要面臨芯片焊層退化和鋁綁定線斷裂或者脫落等失效現(xiàn)象。因此，IGBT模塊在變流器所有工況下的預(yù)期壽命是其選型的評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)之一。為了實(shí)現(xiàn)變流器的預(yù)期壽命，地鐵目前使用的IGBT模塊通常是過設(shè)計(jì)。選擇電流等級(jí)大一檔的模塊，或者使用電流等級(jí)小的模塊并聯(lián)，以減小模塊的熱應(yīng)力，滿足變流器預(yù)期壽命要求。因此，牽引變流器的IGBT模塊工作結(jié)溫通常明顯低于模塊規(guī)定的最高溫度，IGBT的出力能力沒有得到充分利用。
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(nèi)部的退化、脫落或者斷裂等失效機(jī)制，或者如有可能，完全消除這些失效機(jī)制，從而增加器件的預(yù)期壽命和輸出電流。1700V XHP? 2模塊采用了英飛凌最新和最堅(jiān)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(qiáng)大的溫度循環(huán)能力[9]。為了量化這種效果，我們對(duì)使用IGBT5和.XT的XHP? 2模塊與使用IGBT4和標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)為25年，即每年的壽命消耗低于4%?；诘罔F電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的典型工作周期(圖11)，圖12給出了IGBT結(jié)溫(紅色)、二極管結(jié)溫(綠色)和基板溫度(藍(lán)色)的變化曲線。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)，其壽命消耗顯著降低，約為每年2.8%，總的等效壽命大約為36年。
對(duì)于上述這種典型的應(yīng)用，1200A,1700V XHP? 2模塊完全符合變流器的預(yù)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(jù)模塊種類和具體工況進(jìn)行單獨(dú)評(píng)估。
圖12 基于標(biāo)準(zhǔn)的城市地鐵交通工作周期的IGBT結(jié)溫，IHM(上圖)和XHP? 2(下圖)
總結(jié)
本文介紹了適用于下一代大功率應(yīng)用的XHP? 2封裝,它能兼容3.3kV及以下電壓等級(jí)和高達(dá)1800A的電流等級(jí)，同時(shí)還具有雜散電感低、結(jié)構(gòu)對(duì)稱、適合快速開關(guān)器件如SiC-MOSFET等特性。隨著電流密度的增大，模塊功率端子的損耗成為一個(gè)重要的問題，通過端子的優(yōu)化設(shè)計(jì)可以降低它的電阻和損耗，但不能消除它們，所以應(yīng)該在系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(qiáng)大的溫度循環(huán)耐受能力和預(yù)期壽命，基于城市地鐵交通典型工況的對(duì)比分析也驗(yàn)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(yīng)用對(duì)牽引變流器的平臺(tái)化設(shè)計(jì)需求。
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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
來源： 英飛凌
作者：Waleri Brekel, Wilhelm Rusche, Alexander H?hn, Wolfgang Bücker
翻譯：馬新
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