新型電力電子技術(shù)功率模塊特征與應(yīng)用

    1  應(yīng)用智能型功率模塊勢(shì)在必行

    功率模塊有助于大功率應(yīng)用實(shí)現(xiàn)可靠的集成化系統(tǒng)布局。智能型功率模塊將分立功率半導(dǎo)體器件和驅(qū)動(dòng)器集成到一個(gè)封裝中，能夠減少在設(shè)計(jì)上花費(fèi)的時(shí)間和精力，保證其電器產(chǎn)品擁有可靠的功率電子部件。這種集成能夠縮短產(chǎn)品上市時(shí)間。

    在電力電子技術(shù)中，開(kāi)關(guān)電源占有重要地位，而現(xiàn)代電力電子技術(shù)的繁榮與開(kāi)關(guān)電源（特別是高頻開(kāi)關(guān)電源）的發(fā)展緊密聯(lián)系在一起，高頻化是現(xiàn)代電力電子技術(shù)焦點(diǎn)之一。但現(xiàn)代高頻開(kāi)關(guān)電源應(yīng)用空間迅速擴(kuò)展，都開(kāi)始將注意力轉(zhuǎn)向以高頻變換為代表的現(xiàn)代電力電子技術(shù)，許多新的應(yīng)用領(lǐng)域中其熱點(diǎn)也陸續(xù)發(fā)展并選中高頻開(kāi)關(guān)電源(DC/AC)。

    在消費(fèi)電器和一般工業(yè)應(yīng)用的低功率電機(jī)驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域中，采用轉(zhuǎn)模(transfer-molded)封裝的智能功率模塊是目前的發(fā)展趨勢(shì)。

    在上述這些應(yīng)用領(lǐng)域中很重要的是要求高可靠的高頻大功率的開(kāi)關(guān)電源。根據(jù)現(xiàn)代電力電子技術(shù)關(guān)于高頻電源電路應(yīng)集成化、智能化及模塊化的又一特點(diǎn)，縱觀目前市場(chǎng)，應(yīng)用智能型功率模塊是勢(shì)在必行。

    如今智能功率模塊涵蓋0.05kW至7kW的功率范圍，具有緊湊性、功能性、可靠性以及成本效益。通過(guò)使用銅直接鍵合(DBC)基底的轉(zhuǎn)模封裝，不僅能夠提高功率密度，并且在單一封裝中便可實(shí)現(xiàn)三相逆變器、SRM驅(qū)動(dòng)器和功率因數(shù)校正等各種電路拓?fù)洹１疚膶闹悄芄β誓K的核心技術(shù)(IBGT技術(shù))及其應(yīng)用作分析介紹。

    2  智能功率模塊的核心技術(shù)

    2.1新的IBGT技術(shù)

    功率模塊系列集成了新的IBGT技術(shù)，達(dá)到了產(chǎn)品的額定值和工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求的特性，開(kāi)關(guān)性能和應(yīng)用強(qiáng)韌性十分優(yōu)異。因?yàn)槟K化系統(tǒng)特性，如DBC襯底、塑封設(shè)計(jì)、芯片布線和凝膠涂料，該解決方案在任何環(huán)境下都有極佳的性能表現(xiàn)。

    由于IGBT技術(shù)的進(jìn)步，智能功率模塊（SPM）系列一直不斷地經(jīng)歷著升級(jí)。隨著亞微米設(shè)計(jì)規(guī)則的引入，不僅芯片尺寸減小的速度加快，同時(shí)電流密度大幅度地增加。最新一代的IGBT芯片實(shí)現(xiàn)了關(guān)斷損耗和導(dǎo)通壓降之間更好的性能平衡關(guān)系，同時(shí)確保擁有足夠的SOA。圖1表示IGBT技術(shù)方面的改進(jìn)。顯然，V5 IGBT具有出色的器件性能，關(guān)斷損耗與導(dǎo)通壓降均小，從而可以在更小的封裝中增大功率容量。

圖1 IGBT技術(shù)方面的改進(jìn)

    低功耗運(yùn)作常常需要更快的開(kāi)關(guān)速度，這造成了恢復(fù)電流的增加和dv/dt的升高，會(huì)帶來(lái)較大的電磁干擾(EMI)、高浪涌電壓和電機(jī)泄漏電流。在SPM系列中，已經(jīng)考慮了EMI問(wèn)題，并優(yōu)化了柵極驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)，犧牲高開(kāi)關(guān)速度以控制集成IGBT的開(kāi)關(guān)速度。正是由于IGBT具有低導(dǎo)通壓降，能夠保持總體功耗不變，同時(shí)實(shí)現(xiàn)低EMI特性。此外，為了獲得更佳的ESD保護(hù)，在柵極和發(fā)射極之間使用了具有足夠的箝位電壓的多個(gè)背靠背二極管。使用集成式保護(hù)二極管，智能功率模塊都達(dá)到工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)ESD電平。[!--empirenews.page--]

    2.2關(guān)于智能功率模塊的驅(qū)動(dòng)器IC

    由于成本效益的原因，高壓IC (HVIC)和低壓IC (LVIC)設(shè)計(jì)具有最好的必要功能，特別適合于消費(fèi)電器的逆變器驅(qū)動(dòng)。在設(shè)計(jì)方面的考慮：包括借助精細(xì)工藝技術(shù)減小芯片尺寸；由3V饋入微控制器直接驅(qū)動(dòng)有效的“高電平”接口；低功耗；更高的抗噪聲能力；抗溫度變化的更好穩(wěn)定性等等。

    HVIC的一個(gè)特性是內(nèi)置高電平偏移功能，如圖2所示. 能夠?qū)?lái)自微控制器的PWM輸入直接轉(zhuǎn)換至高邊功率器件。此外，使用外部充電反向電容CBS，可以采用單一控制電源VB驅(qū)動(dòng)智能功率模塊。

圖2 高邊驅(qū)動(dòng)器配置

    另一方面，HVIC對(duì)于外部噪聲敏感，因?yàn)槠湫盘?hào)是通過(guò)脈沖信號(hào)和SR鎖存器進(jìn)行轉(zhuǎn)換的。對(duì)于這種脈沖驅(qū)動(dòng)HVIC，高dv/dt開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)IGBT是最危險(xiǎn)的開(kāi)關(guān)類型。假設(shè)從漏極看LDMOS寄生電容是CM，高邊IGBT的導(dǎo)通dv/dt是dVS/dt，CM必須采用大電流充電，才能使LDMOS漏極電壓跟隨快速變化的VB電壓，該電壓通過(guò)自舉電容CBS與VS耦合。大充電電流在R1和R2上引起過(guò)大的壓降，從而誤觸發(fā)SR鎖存器。

    為了克服噪聲敏感性，開(kāi)發(fā)了具有獨(dú)特拓?fù)涞脑肼曄?，如圖2所示。V/I轉(zhuǎn)換器將電平變換器的輸出轉(zhuǎn)換成電流信息。對(duì)于具有高dv/dt的共模噪聲，V/I轉(zhuǎn)換器會(huì)給出相同的輸出。但是，對(duì)于正常運(yùn)作，V/I轉(zhuǎn)換器輸出是互不相同的，因?yàn)閮蓚€(gè)LDMOS中只有一個(gè)工作于正常的電平轉(zhuǎn)換器運(yùn)作狀態(tài)。這樣可以方便地確定V/I轉(zhuǎn)換器的輸出是否是由于噪聲引起。一旦噪聲消除器識(shí)別出有共模噪聲侵入，它便吸收V/I轉(zhuǎn)換器的電流輸出。然后，V/I轉(zhuǎn)換器重建電壓信號(hào).這個(gè)信號(hào)來(lái)自V/I轉(zhuǎn)換器的電流輸出，在VB和VS電源軌之間擺動(dòng)。最后，經(jīng)放大的信號(hào)送到SR鎖存器。

    V/I和I/V轉(zhuǎn)換的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是允許負(fù)VS電壓不再受電路的閾值電壓支配。由于其獨(dú)特的拓?fù)?，HVIC展示了出色的噪聲免疫能力，能夠耐受高達(dá)50V/ns的高dv/dt噪聲，并且擴(kuò)展負(fù)電壓運(yùn)作范圍，在VB=15V左右達(dá)到VS=-10V。

    LVIC負(fù)責(zé)所有的保護(hù)功能及其向微控制器的反饋。它的保護(hù)電路檢測(cè)控制電源電壓、LVIC溫度以及帶外部并聯(lián)電阻的IGBT集電極電流，并在錯(cuò)誤狀態(tài)中斷IGBT的操作。有關(guān)的保護(hù)應(yīng)該不受溫度和電源電壓的影響。

    而錯(cuò)誤信號(hào)是用于通知系統(tǒng)控制器保護(hù)功能是否已經(jīng)激活。錯(cuò)誤信號(hào)輸出是低電平有效的集電極開(kāi)路配置。它一般通過(guò)上拉電阻被拉升至3.3V到15V。當(dāng)錯(cuò)誤發(fā)生時(shí)，錯(cuò)誤線拉低，低邊IGBT的所有柵極被中斷。如果錯(cuò)誤是過(guò)電流引起的，輸出則出現(xiàn)一個(gè)脈沖，然后自動(dòng)復(fù)位。首選的低信號(hào)持續(xù)時(shí)間取決于它的應(yīng)用，例如，對(duì)于家電首選幾毫秒，但是在工業(yè)應(yīng)用中首選低信號(hào)持續(xù)時(shí)間為(1～2)倍的IGBT開(kāi)關(guān)頻率。
具有新IBGT技術(shù)智能功率模塊的舉例見(jiàn)圖3所示。

 
圖3 具有新IBGT技術(shù)智能功率模塊圖

    這個(gè)系統(tǒng)由一個(gè)功率板和一個(gè)控制板組成，兩塊板通過(guò)一個(gè)6線接口相連，確保電源與信號(hào)之間噪聲的干擾很低．功率板直接使用市電電源(因?yàn)榘迳涎b有倍壓器，可以連接120V或220V市電)或使用外部直流電源，低壓輔助電源也安裝在功率板上，配合額定電壓高于50VDC的應(yīng)用工作。

    而帶輸入整流半橋選件的三相逆變器，更低的通態(tài)電壓降(VCE(sat))和CRES/CIES比，超軟超快恢復(fù)反向并聯(lián)二極管工作頻率高達(dá)70kHz，新一代產(chǎn)品的參數(shù)分布公差小，單螺釘組裝，芯片上無(wú)熱點(diǎn)，大電流模塊可選擇負(fù)溫度系數(shù)電阻。

    這些電路板十分適合那些需要六步通信或六個(gè)信號(hào)PWM(正弦調(diào)制)輸出的應(yīng)用領(lǐng)域，如3相交流永磁電機(jī)或無(wú)刷電機(jī)(正弦曲線驅(qū)動(dòng))控制；單相和三相UPS。

    2.3智能功率模塊的自舉二極管技術(shù)

    因?yàn)槌嘶镜娜嗄孀兤魍負(fù)洌嗟募墒敲媾R的挑戰(zhàn)之一。值此自舉二極管似乎成為集成的合適器件。實(shí)際上，市場(chǎng)上已出現(xiàn)了數(shù)種內(nèi)置自舉二極管的產(chǎn)品，但是從技術(shù)角度來(lái)看，其方式略有不同。其中之一是使用HVIC上的高壓連結(jié)終端區(qū)域作為自舉二極管。其應(yīng)用局限于額定值在100W以下的低功率應(yīng)用，因?yàn)檫@種方式具有較大的正向壓降和較差的動(dòng)態(tài)特性。功率在400W左右時(shí)，采用分立FRD作為自舉二極管，但是由于其封裝尺寸有限，沒(méi)有串聯(lián)電阻(RBS)，因此需要對(duì)大充電流進(jìn)行特殊處理，尤其在初始的充電期間。在高于400W的應(yīng)用中，最常見(jiàn)的應(yīng)用是將分立FRD和分立電阻進(jìn)行組合(見(jiàn)圖2所示)。這種方式的唯一缺點(diǎn)是占用空間較大和相應(yīng)的成本增高。[!--empirenews.page--]

    如今智能功率模塊中采用了新設(shè)計(jì)的自舉二極管，其目標(biāo)是減小芯片尺寸和獲得適中的正向壓降，以得到20Ω串聯(lián)電阻的等效作用。其壓降特性等同于串聯(lián)電阻和普通FRD。借助于這種特殊自舉二極管的優(yōu)點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)更多的集成同時(shí)保持最低的成本。

    2.4關(guān)于智能功率模塊的封裝

    智能功率模塊封裝是采用IC和LSI產(chǎn)品的轉(zhuǎn)模封裝技術(shù)，以改善性價(jià)比，同時(shí)提升熱循環(huán)和功率循環(huán)等封裝的可靠性。與具有塑料或環(huán)氧樹(shù)脂外殼的普通功率模塊相比，它具有相對(duì)簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)，即功率芯片和IC安裝在銅引線框架上，基底材料與框架連接，最后可在環(huán)氧樹(shù)脂中模塑成型。又借助現(xiàn)有的可變形基底的優(yōu)點(diǎn)，可在Mini-DIP智能功率模塊 封裝中實(shí)現(xiàn)600V 3A到30A的功率額定值，同時(shí)保持PCB管腳布局和價(jià)格的競(jìng)爭(zhēng)力。這樣可以針對(duì)多種應(yīng)用提供派生產(chǎn)品，比如功率因數(shù)校正、開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)等。

    3  實(shí)用型全橋式DC-AC智能高頻大功率變換模塊舉例

    該智能功率模塊(DC-AC) (見(jiàn)圖4所示)， 應(yīng)用美國(guó)IR公司的功率器件和貼片工藝生產(chǎn)。用戶可以簡(jiǎn)單方便地直接利用它或其組合設(shè)計(jì)制作成各類高頻大功率開(kāi)關(guān)電源。

    3.1技術(shù)特征

    通過(guò)圖4對(duì)該模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)的分析就一目了然。

 
圖4 新型DC/AC全橋式智能高頻功率模塊結(jié)構(gòu)原理圖

    ⑴ 具有功能較強(qiáng)的電源管理電路（電源控制芯片），即電流型PWM及輔助保護(hù)電。

    所謂電流型即在比較器的輸入端直接用感應(yīng)到的輸出電流信號(hào)與誤差放大器進(jìn)行比較，來(lái)控制輸出的峰值電流跟隨誤差電壓變化。這種控制方式可以改善整個(gè)開(kāi)關(guān)電源電壓和電流的調(diào)整率，改善整個(gè)系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)。電流型PWM還具有重選脈沖抑制電路，消除在一種輸出里出現(xiàn)兩個(gè)連續(xù)脈沖的可能性。這對(duì)于半橋電路或全橋電路組成的開(kāi)關(guān)電源能否可靠工作是極為重要的。而一般電壓型PWＭ在受干擾時(shí)，常出現(xiàn)一路輸出中有兩個(gè)連續(xù)重疊脈沖，造成橋電路上下直通而燒毀功率管。電流型PWM可根據(jù)檢測(cè)電路送來(lái)的電流信號(hào)實(shí)行逐個(gè)檢測(cè)，信號(hào)大時(shí)逐個(gè)關(guān)斷，超過(guò)極限時(shí)全保護(hù)關(guān)斷。(此時(shí)需關(guān)機(jī)啟動(dòng)，或延時(shí)3秒軟啟動(dòng)。)

    ⑵ 內(nèi)含IC驅(qū)動(dòng)電路代替脈沖變壓器隔離

    在半橋電路或全橋電路中高端和低端的驅(qū)動(dòng)器是不供地的，一般采用脈沖變壓器隔離。當(dāng)頻率在數(shù)Hz到數(shù)百kHz范圍內(nèi)變化時(shí)，普通的脈沖變壓器是無(wú)法勝任的。而采用IC驅(qū)動(dòng)電路就不存在上述問(wèn)題，它的固有死區(qū)能防止產(chǎn)生直通信號(hào)，它的圖騰柱電路能吸收橋電路的“米勒效應(yīng)”。

    ⑶ 采用全橋DC-AC變換器

    采用性能優(yōu)良的MOSFET或IGBT，在公共接地點(diǎn)上伴有0.1Ω的電流取樣電阻，它能感應(yīng)到內(nèi)部任一橋路或任一橋路的外部過(guò)流、短路，將檢測(cè)信號(hào)送往保護(hù)輔助電路進(jìn)行判斷調(diào)整或極限保護(hù)。并有4×1500pf電容，輸出串接1mH電感可成為零電壓開(kāi)通、關(guān)斷的諧振電路(ZVS)。

    ⑷ 應(yīng)用P1電流檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)恒流控制

    將流過(guò)第P1腳的電流感應(yīng)檢波取樣送至第9腳，經(jīng)過(guò)調(diào)整送至第8腳可進(jìn)行恒流控制。

    ⑸ 具有輔助電源供電流型PWM及輔助保護(hù)電路正常工作

    由啟動(dòng)電源和內(nèi)反饋電源組成，它要求電壓在20Ｖ-500V范圍內(nèi)能正常工作。(一般情況下在交流220V整流后350V-360V直流電壓下工作)。

    由其模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)分析所知，它大大減少或克服了后級(jí)(DC-AC)分立組合所帶來(lái)的制作調(diào)試麻煩和大功率管被擊穿或燒毀等弊病。只需方便的使用模塊的引腳，就可實(shí)現(xiàn)功能DC-AC。

    ⑹ 外形尺寸（長(zhǎng)寬厚）為：115mm×66mm×23mm。

    ⑺ 模塊使用時(shí)應(yīng)按裝在散熱板上。

    3.2 DC-AC智能高頻大功率變換模塊變壓器設(shè)計(jì)公式

    由于DC-AC模塊應(yīng)用領(lǐng)域很多，但大多數(shù)都使用到了高頻大功率變壓器，以下是設(shè)計(jì)公式和舉例。
 
    式中：
　　　
    E=U1為變壓器初級(jí)直流電；
    N1為初級(jí)匝數(shù)；
    f變壓器的工作頻率；
    S磁芯的有效面積；
    系數(shù)4.44(正弦波)或4(矩形波)。

    3.3使用特點(diǎn)

    智能功率模塊最大電流為20A，內(nèi)裝4個(gè)ＩGBT，L為低頻模塊最大工作電壓500V ，H為高頻模塊。[!--empirenews.page--]

    其特點(diǎn)為：全橋式功率輸出(內(nèi)裝IGBTX4)；工作頻率可調(diào)：L系列5 Hz-1000Hz，H系列10kHz-150kHz；輸出脈沖寬度可調(diào)，1%~85%脈沖方波；輸出電源整定可調(diào)，整定輸出脈寬值；適應(yīng)工作電壓范圍寬10V~100V(L系列)、20V~500V(H系列)；保護(hù)范圍寬；可作為驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行大功率擴(kuò)展；開(kāi)機(jī)3秒軟啟動(dòng)；輸出串接適合電感，可成為零電壓開(kāi)通、關(guān)斷諧振電路(ZVS)；本模塊用來(lái)驅(qū)動(dòng)大功率MOSFET或IGBT時(shí)，其耦合驅(qū)動(dòng)變壓器可實(shí)現(xiàn)任意脈寬驅(qū)動(dòng)。

    4 實(shí)用型全橋式DC-AC智能高頻大功率模塊應(yīng)用舉例

    全橋式DC/AC高頻大功率變換模塊IPG(作為后級(jí))與PF1000A-360型AC/DC功率變換模塊(作為前級(jí)) 相組合后并與高頻大功率脈沖變壓器T等一起組合而成新型模塊式高頻(22-25)kHz、 高壓(100V-120V)大功率（1000W）開(kāi)關(guān)電源， 并作為超聲波發(fā)生器（或稱信號(hào)源)與換能器匹配組合成高聲高強(qiáng)度超聲波管道清洗機(jī)。以下對(duì)該新型高頻高壓大功率開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)方案做一分析介紹。

    4.1模塊式高頻(22-25) kHz高壓(100V-120V)大功率（1000W）高頻開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)方案

    ⑴ 技術(shù)要求

    輸入電壓：交流220v；輸出脈沖電壓：幅值為100v-120v、頻率f為(22-25) kHz±1%，其占空比D為0.4-0.5為可調(diào)；輸出功率:為1000W；輸出高頻大電流可采用LED數(shù)字顯示；工作頻率f可采用LED數(shù)字顯示；脈沖輸出電壓通過(guò)LC諧振電路應(yīng)在超聲波換能器二端獲得高頻(22-25) kHz高壓的正弦波。

    ⑵ 高頻高壓大功率開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)電原理框圖

    該電原理框圖如圖5所示，具體介紹分析如下。

 
    圖5 新型模塊式高頻(22~25kHz)高壓(100V~120V)大功率(1000W)開(kāi)關(guān)電源圖

    從圖5可看出該開(kāi)關(guān)電源由前級(jí)IC1的PF1000A-360型AC/DC大功率變換模塊和后級(jí)IC2的DC/AC IPM-4M 模塊相連并與高頻大功率脈沖變壓器T等三大部分一起組合而成， 即成為超聲波管道清洗機(jī)的信號(hào)源(超聲波發(fā)生器)。

    ⑶ PF-1000A-360型AC-DC大功率變換模塊特性做一簡(jiǎn)介

    ① 模塊PF-1000A-360型AC-DC變換模塊技術(shù)指標(biāo)：其輸入電壓為交流170V-265V，而輸出電壓為直流360V；輸出為直流電流2.8A-4.2A;輸出功率為1008W-1512W；典型浪涌電流60A; 最小功率因素為95%；輸出電壓精度為±2%。

    ② 模塊的特點(diǎn): 可實(shí)現(xiàn)功率因素和諧波校正，效率高達(dá)95%以上。帶有過(guò)壓保護(hù)、過(guò)熱保護(hù)和輸入浪涌保護(hù)等保護(hù)電路。模塊內(nèi)部將功率電路和控制電路集合在一起，使用起來(lái)非常方便。其R1—外接浪涌限流電阻，用它可以限制電源剛接通時(shí)的浪涌電流，若不接，則模塊不應(yīng)正常工作 實(shí)際上R1(4.2Ω/2W)應(yīng)與F3溫度保險(xiǎn)絲(250V 2A 130℃) 相串接而成(見(jiàn)圖4所示)。

    外形尺寸（長(zhǎng)×寬×厚）為：146mm×86mm×125mm。

    模塊使用時(shí)應(yīng)按裝在散熱板上。

    4.2大功率高壓(100V~120V)高頻(22~25kHz)正弦波的實(shí)現(xiàn)

    當(dāng)大功率脈沖變壓器T次級(jí)N2輸出的100V~120V的脈沖波電壓加到LC諧振電路( 其L為可調(diào)高頻電感線圈，C為超聲波換能器的等效電容，由此則組成LC諧振器，見(jiàn)圖4右上角虛線所示)，通過(guò)調(diào)整高頻電感線圈L可使諧振器得到串聯(lián)諧振，其諧振頻率f0為換能器固有頻率，并在電容C(換能器)兩端將獲得諧振后的高壓高頻(22-25)kHz正弦波，見(jiàn)圖4右上角所示。以上整個(gè)過(guò)程實(shí)現(xiàn)了從AC-DC再?gòu)腄C-AC高頻(22~25) kHz、 高壓(100V~120V) 大功率(1000W) 的輸出。