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高压IGBT功率模块与主要性能

作者:海飞乐技术 时间:2019-11-15 19:28

  本文所研究的高压IGBT功率模块是一种应用于电控系统变频调速电路中较为先进的混合集成功率器件,它将多个高压功率半导体器件、高压IGBT栅极驱动集成电路以及检测和保护等功能电路集成至同一封装,这种类型的功率模块也被称为Intelligent Power Module或Smart Power Module,即智能功率模块。为了对高压IGBT功率模块有一个整体认识,图1给出了一个典型的电控系统变频调速电路原理框图,下面结合图1对其各部分电路的基本作用进行简单介绍。
  整流电路的主要作用是将频率为50Hz、有效值为220V的市电电压转变为峰值约为311V的脉动直流电压。PFC电路再将整流电路的输出电压转变为稳定的直流电压输出给后级高压IGBT功率模块。高压IGBT功率模块是整个电控系统变频调速电路的核心,其主要作用是在微控制器(MCU)的控制下将PFC电路输出的直流电压转变为频率和幅值可变的交流电驱动变频压缩机,实现功率逆变功能。受技术条件、工艺水平等因素影响,早期的逆变电路主要由分立器件构成,这不仅增加了电控系统变频调速电路的体积和成本,也降低了系统的可靠性。因此,目前基本上都采用高压IGBT功率模块来完成DC/AC功率逆变功能。

电控系统变频调速电路原理框图 
图1 电控系统变频调速电路原理框图
 
  高压IGBT功率模块是将多个功率半导体器件集成在一起的混合功率器件,不同于常规的小功率电子电路,高压IGBT功率模块通常工作于高电压、大电流和高温度状态下,这就使得高压IGBT功率模块的设计具有其自身的特点。所以,在研发高压IGBT功率模块时,对其电路功能和性能等的要求不同于常规小功率电子电路。为了研发出具有核心竞争力的高压IGBT功率模块,必须从电路原理图、版图等多个方面出发,综合考虑功率模块架构、制造工艺和模块封装等技术。高压IGBT功率模块的主要性能要求有以下几点:
  1. 高可靠性。可靠性是设计高压IGBT功率模块时必须首先考虑的关键指标之一。在高压IGBT功率模块中,功率器件工作于高压大电流状态下,电压和电流的快速变化,导致功率器件承受着很大的电应力,极易造成功率器件损坏。为确保高压IGBT功率模块长期可靠运行,通常在模块中集成有过流、过温以及欠压等保护电路,并且需要对电路和版图等进行优化设计。
  2. 高抗干扰能力。高压IGBT功率模块的另一个重要设计指标为抗干扰能力。高压IGBT功率模块中不仅含有高压功率电路,而且还含有低压模拟数字电路。高压IGBT功率模块的驱动电路和保护电路等通常由小功率电子元器件构成,其工作电压低、工作电流小,属于小信号电路范畴;而高压IGBT功率模块的功率逆变电路属于大信号电路范畴,其通常工作于高电压、大电流状态下,具有较大的dv/dt电压变化速率和di/dt电流变化速率,会产生较大的电磁干扰。如果抗干扰能力不足,大信号电路将会对小信号电路产生严重干扰,导致电路出现异常、无法正常工作。因此,在高压IGBT功率模块中,需要对其大信号电路与小信号电路进行特别设计。
  3. 低功率损耗。随着功率模块集成度的不断提高以及体积的不断缩小,功耗已成为与性能和可靠性同等重要的设计指标。对于高压IGBT功率模块而言,其内部的功率半导体器件是主要的耗能元器件,为了降低高压IGBT功率模块的功率损耗,研发新型低功耗功率半导体器件是关键。为了提高系统效率,要求高压IGBT功率模块具有较小的功率损耗,因此研究低功耗型高压IGBT功率模块也是目前的重点之一。
  4. 小封装体积。高压IGBT功率模块广泛应用于诸多领域,例如电机控制、变频器、开关电源以及机车牵引等。近年来,在上述领域小型化、轻薄化是高压IGBT功率模块的一个重要发展趋势,而且在功率电子系统的电路部分,高压IGBT功率模块通常是体积最大的元器件之一,因此,减小高压IGBT功率模块的体积,使其小型化具有重要意义。




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