摘要：本文讨论了最新PrimePACKTM模块如何集成到现有的逆变器平台中，描述了集成控制和保护在内的逆变器模块化架构概念。该模块的机械特性允许对热管理进行优化，进而充分发挥IGBT输出电流能力，分析并比较了IGBT驱动的不同方案，并给出逆变器的测试结果。
关键词：PrimePACKTM模块 IGBT组件 功率密度
Abstract: This paper discusses how the latest PrimePACKTM module inverter integrated into the existing platform, the description of an integrated control and protection of the inverter, including the concept of modular architecture. The module allows for the mechanical properties to optimize the thermal management, thus give full play to the IGBT output current ability to analyze and compare the different options IGBT driver. Finally, give inverter test results.
Keywords:PrimePACKTM Module IGBT Component Power Density
[中图分类号] ？？ [文献标识码] B 文章编号1561-0330(2009)02-0000-00
1 引言
当功率模块集成到逆变器平台时，必须要考虑热、电和机械方面的约束。PrimePACKTM封装提供了IGBT功率器件和逆变器外围之间一个实用的接口[1]。本文详细说明了PrimePACKTM模块集成到逆变器中的过程，并吸收了ModSTACKTM[2]逆变器的设计经验。同时，介绍了ModSTACKTM 系列的模块化设计概念,那就是通过单元模块并联成模块组件,来提高输出电流能力;用优化冷却概念，改善每个单元模块散热面积的利用率、降低热阻；采用不同的方式实现驱动和控制，并推荐两种集成度不同的解决方案；讨论了每种驱动结构的优点。众所周知，IGBT模块输出电流能力会约束整个逆变器的功率密度，最大结温是IGBT开关运行的限制因素，本文介绍了PrimePACKTM封装将IGBT工作结温提高到150℃，并给出了在苛刻条件下逆变器性能和电流利用率的情况。本文还分析极端条件下单脉冲的安全开关。
2 逆变器的模块化结构和控制功能
由于功率转换电路的基本拓扑结构相似，为制造商提供了将功率元件模块化、灵活构建模块组件即系统的便利，使之可以将注意力集中在自己的核心竞争力上。
功率变换解决方案套件ModSTACKTM由用于热管理、电气和机械互连以及控制和功率单元接口的OEM元件组成。用ModSTACKTM组件能实现不同的电路拓扑结构和扩展系统功率范围。
2.1集成PrimePACKTM IGBT半桥的模块化ModSTACKTM功率单元
（1）ModSTACKTM功率单元的基本结构
●选择适合的IGBT半桥模块，实现最常用的ModSTACKTM功率单元拓扑结构（B6U+B6I、B6I+B6U等）。
●高电压电解电容用于功率单元的直流母线，以确保高达1070V的电压下能够安全工作。
●监控单元部分监控相电流、直流电压、通态电压和散热器温度4个参数的信号，满足各种应用。
●并集成了IGBT驱动器（EiceDRIVERTM）。图1给出逆变器各个功能元件。
![]()
图1 集成PrimePACKTM IGBT半桥的模块化ModSTACKTM功率单元
（2）ModSTACKTM功率单元特点
●ModSTACKTM能够利用4个机械平台。设计符合工业界认可的机柜要求。在一个平台内机械设计是固定的，因此只能使用机械接口相同、额定值不同的电气元件来实现不同的设计。为了节省设计和制造成本，模块化系统的设计符合工业界认可的机柜要求，采用强制风冷或水冷方式。图1所示的是多达4个ModSTACKTM单元并联在一起达到最大程度的扩展。
●并联是通过将每个功率单元的相电流相加来实现的。
●为了确保整个系统电气连接的平衡，所有的电气连接、母线和机械接口都是对称的。
●所有逆变器单元具有均等的散热条件，这样降额比例就会低一点。
●能够输出每个单元95%的额定功率。
●ModSTACKTM最初是为IHM模块而设计的，现在能够兼容PrimePACKTM两种封装，如图2所示，
即PrimePACK2TM：169×86mm2和PrimePACK3TM：247×86mm2的IGBT模块。
![]()
图2 带有PrimePACK2TM 的ModSTACKTM功率单元
（3）ModSTACKTM功率单元的监视和控制架构
模块化的功率电子设计需要用合理的监视和控制架构来辅助。多达4个相同的单元被并联在一起, 每个单元产生并处理如图3所示的监控信号。当超过功率单元的设定限制时，单元将被关断并产生相应的故障信号。系统控制的电气接口部分有滤波器和良好的接地。为了抑制控制器的噪声，还提供了一个光学接口单元（参见图１）。
![]()
图3 监控信号和控制板流程
(4)ModSTACKTM功率单元的故障保护设计
●过温故障保护。为了迅速地对过温故障信号进行响应，用快速模拟电路来计算虚拟芯片温度。设计了考虑散热器温度、输出电流、直流线电压和开关频率这些参量之后所组合的的快速模拟电路，图４为采用简化模型把Ths、IUVW、fSW和VDC组合到一起计算芯片温度Tvj,si的过温故障保护快速模拟电路逻辑关系。
![]()
图4过温故障保护的快速模拟电路逻辑关系
●过载保护。过载保护逻辑考虑了故障的不同根源。表1为3种在不同时间范围内引起系统关闭的过载情况。
表1 过载保护的机理
![]()
●电流保护。图5为通过VCesat监测进行有源过电流保护的波形。PrimePACK2TM IGBT FF600R17IE3在1.3μH电感的回路发生短路故障。半桥结构上下两个处于关断状态的IGBT承受900V直流电压。在t1时刻，IGBT导通VCE（Ch4）下降，流过短路IGBT（Ch2）的电流IC增大。在t2时刻，IC达到退饱和水平被IGBT稳定在2kA。直流线电压全部加在IGBT上。VCEsat检测回路发生这一情况，在2.8μs后的t3时刻短路被关断。
![]()
图5 VCEsat检测回路在IGBT退饱和后关断波形
（Ch1=负载电流、Ch2=IGBT集电极电流、Ch3=IGBT门极电压、Ch4=IGBT集电极电压）
3 PrimePACKTM风冷散热器的热特性和优化布局
3.1通过减小基板和散热器之间的热阻Rthch来改善热特性
（1）散热器设计
采用矩形封装的PrimePACKTM由于元件之间总的接触面积很大，固定基板与散热器的螺丝间距可以很小。因此，导热脂的厚度dg<50μm。高热导率λ=385W/mK的铜基板能确保有效地散热。在实验装置中Rthch是在水冷系统散热器上测得的，从Rthch的角度来讲这是最差情况下的解决方案，因为水冷系统比风冷系统的散热效果要差。散热器装有的一套热电偶，能够测量基板温度（Tc）和散热器内部靠近表面的温度（Ths）。热电偶按图6所示方式，放置在产生热量的器件下方。
![]()
图6 包括热电偶位置的测量装置剖面原理图
装置的整体几何结构沿图6中的虚线对称分布。
（2）水冷系统下的热阻Rthch估算
如果能够计算功率模块中全部的功耗（Pel），则水冷系统可用下面的公式来估算Rthch：
（3）模块安装到散热器之前其上所使用导热脂的多少对散热的影响。所使用的是λ=1W/mK的导热脂。先对PrimePACKTM2封装的IGBT和二极管进行测量，将这两个值并联可计算出Rthch。测试结果如图7所示，其中Rthch为导热脂厚度dg*的函数。
![]()
图7 在安装前测得的Rthch和导热脂厚度dg*之间的关系
（4）几点结论
●如果用100μm厚间隔条确保在安装后能满足dg=100μm，则测得的值为Rthch～10K/kW。这与我们简单地假设只有绝缘衬底下的面积而不是整个基板参与热交换时所得的计算值相近。
●如果在安装时没有留出间隙，则得到的Rthch值较小，且在dg*>50μm的范围内与所用导热脂的多少几乎无关。这是因为由于前面提到过安装螺丝的间距很小，使得多余的导热脂在安装过程中被挤出。此外，在铜基板与散热器之间所用安装螺丝附近的金属接触部分起到了热传递的作用，且其完全不依赖于导热脂的厚度。通常，逆变器中PrimePACKTM模块的Rthch对于在安装过程中使用导热膏的方法十分敏感。这样的封装形式使热管理更加可靠。
●在dg*<50μm条件下，Rthch能达到4～5K/kW。随着dg*的减小，热阻不会降低到0。 即使导热脂厚度小到可以忽略的程度，由于金属表面之间存在接触，仍然存在残余的热阻。
3.2风冷系统的Rthha计算
（1）散热器和周围空气间的热阻由Rthha值来表征，取决于IGBT模块是如何放置在散热器表面的。为了找到最优形状，用具有明确定义热源的电阻来测量Rthha。正方形电阻模块被固定到PrimePACKTM的基板上作为参考（如图8中把4个电阻放在长247mm的基板上）。
（2）使用参考模块有如下好处：
精确定义耗散的热量
测量的高重复性
简单的装置能够快速评估不同布局的基板（如不需要母线）。
（3）风冷系统的Rthha计算
使用风冷系统，散热器和周围空气间的热阻由Rthha值可用下式计算：
![]()
（4）环境温度Ta在气流的入口处测得。为了测量散热器温度Ths，在散热器表面磨出一些小槽来使热电偶能靠近模块基板。最热点（最高的Ths）通常处于靠近基板中心的位置，在Rthha的公式中使用的就是用这一点的温度。Pel为每个PrimePACKTM样机上电阻的能耗。图8示出了测量Rthha的实验装置。
![]()
图8 测量Rthha的实验装置
（直流电流流入固定在PrimePACKTM基板上的电阻，基板被安装在铝制的风冷散热器上）
3.3散热器安装的优化设计
为了能够找到最优形状，简单地对参考模块进行处理进而改变布局。通常，模块之间的间距以及模块与散热器边沿的间距都应尽可能地大。矩形模块的纵轴与散热器的鳍平行时比垂直时的热积累和Rthha值都要小。图9为不同封装模块之间的比较。PrimePACKTM3（247×86mm2）封装具有最小值，因为它与散热器（图9中右侧坐标轴所示）的接触面积最大。
![]()
图9 风冷散热器上不同参考模块，通过实验得到的Rthha的值
（表面=400×400mm2，高度=88mm）
4 驱动器与功率系统的接口设计和功能
4.1适配板的设置与设计
（1）每个IGBT模块都装有适配板
模块化IGBT组件中所使用的驱动由EiceDRIVERTM系列中的2ED300C17-S或2ED300C17-ST构成，其能提供电源、隔离控制信号以及短路保护[3]。为了提高组件的模块化程度、不同逆变器拓扑结构的灵活性和可变的输出功率，每个IGBT模块都装有适配板。与PrimePACK2TM IGBT半桥FF800R12IE4配套开发的适配板具有无源和有源两种版本。
（2）适配板的功能
●适配板主要用来确保驱动器和所控IGBT之间具有简单可靠的连接。
●此外，适配板还能够实现扩展功能，使像门极电阻、饱和电压检测二极管和GE之间的电压抑制二极管都尽可能靠近IGBT门极，使在集电极-栅极之间有源钳位系统有较低回路电感。PrimePACKTM封装辅助端子的布局简化了安装在模块顶部驱动器电路板的布局。
●通过使用有源适配板，靠近栅极的驱动功率放大输出级极大地减小了栅-发射极回路的寄生电感。低感性和快速输出功率放大级设计不但能放大驱动器的控制信号，还能将此信号与来自有源电压钳位系统的反馈电流混合，并扩展一些成熟方案，如对IGBT关断过电压快速保护DVRC[4][5]。
4.2开关参数与连接电缆长度间的关系
模块内部硅的结温Tvj受到功耗的影响。逆变器的设计必须保证功耗被均匀地分布到在所有工作的模块上。这将受到驱动器与IGBT模块连接方式的影响。图10示出了开关参数Eo（上图）和Imax（下图）与连接IGBT和驱动器电路板FF800R12IE4的电缆长度间的关系。
![]()
图10 开关参数与连接电缆长度间的关系
（UDC=600V、IC=800A、Tvj=25℃）
(1)从图10（上）所示中看出当用无源适配板时，开通能量Eon依赖于驱动器和IGBT模块之间电缆的长度。当长度从7cm增加到50cm时，Eon降低了32%。当在较大的逆变器系统中，结构不能满足每个外壳之间有相同的驱动-模块间距时，这一不利因素的影响尤为严重。开通能量降低似乎对IGBT有利，
(2)但由于二极管的恢复作用，更快的开关速度会使峰值电流有少量的增加，如图10（下图）所示。因此，要考虑到续流二极管内部所产生较高的峰值功耗所引起的局部过热。如果无源适配板被有源替代，Eon和峰值电流IMAX将不依赖于门极电感。只能通过栅电阻来调节。
4.3无源和有源适配板两种方案各自的优点和缺点
无源或有源适配板均能驱动PrimePACKTM IGBT。表2总结了两种方案各自的优点和缺点。
表2 适配板的比较
![]()
5 ModSTACKTM逆变器（组件）性能测试与分析
5.1 ModSTACKTM逆变器（组件）性能测试
在实验室条件（VCC=900V、fsw=2.5kHz、f0=50Hz、cos(***)=0、Ta=24°C）下，对FF600R17IE3 PrimePACK2TM模块的ModSTACKTM逆变器进行了测量。
5.2 ModSTACKTM逆变器性能分析
（1）热测量表明如果用IGBT模块作为热源，与第3节给出的结果相比，风冷散热器的Rthha增大了15%，因此每个模块的Rthha为47K/kW。这是因为扁平电阻所产生的热量比实际的IGBT和二极管所产生热量分布更加均匀。最大RMS电流作为结温Tvj的函数。当Tvj,max=125℃（150℃）时，Irms=380A（440A）。在440ARMs下，IGBT运行达到其标称电流IC=600A。图11为在运行逆变器上所记录的关断波形，证实了工作点能够被成功地控制。
![]()
图11 IGBT的关断波形
（VCE=900V、IC=600A、Tvj=145°C、Irms=440A、RG=1.6；逆变器工作在2.5kHz）
（2）基于测量的Rth值和马达驱动690Vrms的应用条件下，对PrimePACKTM和IHM IGBT模块进行比较。过流安全裕量为20%，持续时间为10s。由于PrimePACKTM封装的IGBT模块工作结温最高能达到Tvj=150°C。因此，在这一温度条件下进行相关计算，结果如图12所示。
![]()
图12 不同的1700V IGBT模块和额定电流下，ModSTACKTM逆变器中可用的RMS电流
（3）几点结论
●很明显，最大结温保持在125℃条件下，PrimePACKTM有能力提供更高功率密度。假定Tvj能升高到150℃，则Irms能进一步增大约25%。今后将集中在这一扩展的温度范围内对产品进行验证。（2）为了确保安全运行，需要对温度和过电压进行限制。为了在较高VDC和较快的开关速度条件下运行，模块和逆变部分装配须满足小的杂散电感Lσ。
●PrimePACKTM的特点就是有很小的内部电感[1]。在ModSTACKTM环境下，当IGBT导通时测量电流交换的感性压降，杂散电感Lσ大约为42nH。
●对于过电压，由于较高开关速度，低温运行时是很严酷的。图13为在一定的VCE和IC范围内的过压情况。即使在最大的电流IC下，系统确保电压仍安全地小于1700V。
![]()
图13 在室温、Lσ=42nH下，没有对VCE进行钳位关断时的VCE,max
6 结束语
首次将PrimePACKTM IGBT模块集成到现有的逆变器组件中证明是安全可靠的。新型的功率模块能对诸如热管理或IGBT驱动等重要问题进行很好地优化。实验室测试证实了PrimePACKTM具有输出更高功率密度的潜力。当产品在Tvj=150℃的条件下工作时，将会发挥其最显著的优势。
作者简介
O.Schilling M.Wolz G. Borghoff J. Schiele O. Holbe P. Luniewski
参考文献
[1] O. Schilling et. al., Properties of a New PrimePACK™ IGBT Module Concept…, Proc. of PCIM, Nuremberg, 2005
[2] P. Zacharias, J. Schiele, IGBT ModSTACKs™–a Cost Decreasing Approach for Flexible Converter Design, PEE, 2003
[3] Datasheet and Application Note, “Dual IGBT Driver for Medium and High Power IGBTs,” Available at: http://www.eupec.com/eicedriver/boards/2ED300C17-S
[4] P. Luniewski et al.,“Dynamic Voltage Rise Control, the Most Efficient Way to Control Turn-off Switching Behaviour of IGBT Transistors,” Pelincec2005 Warsaw.
[5] H.P. Rothwangl, H. Schamböck, “Advanced IGBT Control Strategies Improvement of Switching Characteristic via Active Gate Control,” EPE2003 Toulouse.
|
电子发烧友论坛
0
/7 
工商网监
湘ICP备2023018690号
3288
淘帖
13
