功率模塊是功率電子電力器件按一定的功能組合再灌封成一個模��
功率模塊的封裝外形各式各�,新的封裝形式日新月異,一般按管芯或芯片的組裝工藝及安裝固定方法的不同,主要分為壓接結(jié)�(gòu)、焊接結(jié)�(gòu)、直接敷銅DBC基板�(jié)�(gòu),所采用的封裝形式多為平面型以及,存在難以將功率芯片、控制芯片等多個不同工藝芯片平面型安裝在同一基板上的問題。為開發(fā)高性能的產(chǎn)�,以混合IC封裝技�(shù)為基�(chǔ)的多芯片模塊MCM封裝成為目前主流�(fā)展趨�,即重視工藝技�(shù)研究,更�(guān)注產(chǎn)品類型開�(fā),不僅可將幾個各類芯片安裝在同一基板�,而且采用埋置、有源基�、疊�、嵌入式封裝,在三維空間�(nèi)將多個不同工藝的芯片互�,構(gòu)成完整功能的模塊�
壓接式結(jié)�(gòu)延用平板型或螺栓型封裝的管芯壓接互連技�(shù),點接觸靠內(nèi)外部施加壓力實現(xiàn),解決熱疲勞�(wěn)定性問�,可制作大電�、高集成度的功率模塊,但對管�、壓塊、底板等零部件平整度要求很高,否則不僅將增大模塊的接觸熱�,而且會損傷芯�,嚴重時芯片會撕�,結(jié)�(gòu)�(fù)�、成本高、比較笨�,多用于晶閘管功率模�� 焊接�(jié)�(gòu)采用引線鍵合技�(shù)為主�(dǎo)的互連工�,包括焊料凸點互�、金屬柱互連平行板方式、凹陷陣列互�、沉積金屬膜互連等技�(shù),解決寄生參�(shù)、散�、可靠性問題,目前已提出多種實用技�(shù)方案。例�,合理結(jié)�(gòu)和電路設(shè)計二次組裝已封裝元器件構(gòu)成模塊;或者功率電路采用芯�,控制、驅(qū)動電路采用已封裝器件,構(gòu)成高性能模塊;多芯片組件�(gòu)成功率智能模�� DBC基板�(jié)�(gòu)便于將微電子控制芯片與高壓大電流�(zhí)行芯片密封在同一模塊之中,可縮短或減少內(nèi)部引線,具備更好的熱疲勞�(wěn)定性和很高的封裝集成度,DBC通道、整體引腳技�(shù)的應(yīng)用有助于MCM的封�,整體引腳無需額外進行引腳焊接,基板上有更大的有效面積、更高的載流能力,整體引腳可在基板的所有四邊實�(xiàn),成為MCM功率半導(dǎo)體器件封裝的重要手段,并為模塊智能化�(chuàng)造了工藝條件�
MCM封裝解決兩種或多種不同工藝所生產(chǎn)的芯片安裝、大電流布線、電熱隔離等技�(shù)問題,對生產(chǎn)工藝和設(shè)備的要求很高。MCM外形有側(cè)向引腳封�、向上引腳封�、向下引腳封裝等方案。簡而言�,側(cè)向引腳封裝基本結(jié)�(gòu)為DBC多層架構(gòu),DBC板帶有通道與整體引�,可閥框架焊于其�,引線鍵合后,焊上金屬蓋完成封裝。向上引腳封裝基本結(jié)�(gòu)也采用多層DBC,上層DBC邊緣留有開孔,引腳直接鍵合在下層DBC板上,可閥框架焊于其�,引線鍵合后,焊上金屬蓋完成封裝。向下引腳封裝為單層DBC�(jié)�(gòu),銅引腳通過DBC基板�(yù)留通孔,直接鍵合在上層�(dǎo)體銅箔的背面,可閥框架焊于其上,引線鍵合、焊上金屬蓋完成封裝�
綜觀功率模塊研發(fā)動態(tài),早已突破最初定義是將兩個或兩個以上的功率半導(dǎo)體芯�(各類晶閘管、整流二極管、功率復(fù)合晶體管、功率MOSFET、絕緣柵雙極型晶體管�),按一定電路互�,用彈性硅凝膠、環(huán)氧樹脂等保護材料密封在一個絕緣外殼內(nèi),并與導(dǎo)熱底板絕緣的概念,邁�?qū)⑵骷酒c控制、驅(qū)�、過壓過流及過熱與欠壓保護等電路芯片相結(jié)�,密封在同一絕緣外殼�(nèi)的智能化功率模塊時代�
PEBB是一種針對分布式電源系列進行劃分和構(gòu)造的新的模塊化概念,根據(jù)系統(tǒng)層面對電路合理細�,抽取出具有相同功能或相似特征的部分,制成通用模塊PEBB,作為功率電子系�(tǒng)的基�(chǔ)部件,系�(tǒng)中全部或大部分的功率變換功能可用相同的PEBB完成�
PEBB采用多層疊裝三維立體封裝與表面貼裝技�(shù),所有待封裝器件均以芯片形式進入模塊,模塊在系統(tǒng)架構(gòu)下標準化,層為散熱器,其次是3個相同的PEBB相橋臂組成的三相整流橋,再上面是�(qū)動電�,頂層是傳感器信號調(diào)節(jié)電路。PEBB的應(yīng)用方便靈�,可靠性高,維護性好�
IPEM研發(fā)的主要內(nèi)容涉及適用于模塊�(nèi)部的,具有通用性的主電�、控�、驅(qū)�、保�、電源等電路及無源元件技�(shù),通過多層互連和高集成度混合IC封裝,全部電路和元器件一體化封裝,形成通用性標準化的IPEM,易于構(gòu)成各種不同的�(yīng)用系�(tǒng)。在IPEM制造中,采用陶瓷基板多芯片模塊MCM-C技�(shù),將信息傳輸、控制與功率器件等多層面進行互�,所有的無源元件都是以埋層方面掩埋在基板�,完全取消常�(guī)模塊封裝中的鋁絲鍵合互連工�,采用三維立體組�,增加散�。IPEM克服了IPM�(nèi)部因各功率器件與控制電路用焊絲連接不同芯片造成的焊絲引入的線電感與焊絲焊點的可靠性限制IPM進一步發(fā)展的瓶頸。IPEM不采用焊絲互�,增強其可靠�,大大降低電路接線電�,提高系�(tǒng)效率�
功率模塊的研�(fā)在很大程度上取決于功率器件和混合IC封裝技�(shù)的新進展�"皮之不存,毛將焉�"。它既是芯片制造技�(shù)的延伸擴�,也是封裝生�(chǎn)多元化縱深拓展的新領(lǐng)�,所研發(fā)的關(guān)鍵技�(shù)包括DBC基板、互連工藝、封裝材�、熱�(shè)計等�
引言
目前,功率模塊正朝著集成�、智能化和模塊化的方向發(fā)�。功率模塊為機電一體化�(shè)備中弱電與強電的連接提供了理想的接口�
在任何運行狀�(tài)下,功率模塊都需要受到保�,以避免其承受不允許的電流應(yīng)�,也就是�,避免功率模塊的運行區(qū)超出所給定的安全工作區(qū)�
超出安全工作區(qū)運行將導(dǎo)致功率模塊受損傷,其壽命會由此而縮短。情況嚴重時還會立刻�(dǎo)致功率模塊的損壞�
因此,最重要的是先檢測出臨界的電流狀�(tài)和故�,然后再去恰�?shù)仨憫?yīng)它們�
本文的敘述主要是針對IGBT的過電流保護,但�,也可以類推�(yīng)用到功率MOSFET�
1 故障電流的種�
故障電流是指超過安全工作區(qū)的集電極或漏極電�。它可以由錯誤的控制或負載引起�
故障電流可通過以下機理�(dǎo)致功率半�(dǎo)體的損壞�
1)由高功率損耗導(dǎo)致的熱損��
2)動態(tài)雪崩擊穿�
3)靜態(tài)或動�(tài)的擎住效�(yīng)�
4)由過電流引起的過電壓�
故障電流可進一步劃分為過電�、短路電流及對地故障電流�
1.1 過電�
特征�
1)集電極電流的di/dt�(取決于負載電感和�(qū)動電�)�
2)故障電流通過直流母線形成回路�
3)功率模塊沒有離開飽和區(qū)�
起因�
1)負載阻抗降低�
2)逆變器控制出��
1.2 短路電流
特征�
1)集電極電流急劇上升�
2)故障電流通過直流母線形成回路�
3)功率模塊脫離飽和區(qū)�
起因�
1)橋臂直通短�(圖l中的情況1)
一一由于功率模塊失效而引��
一一由于錯誤的驅(qū)動信號而引起�
2)負載短路電流(圖l中的情況2)
一一由于絕緣失效而引��
一一由于人為的失誤而引�(例如誤接�)�
1�3 對地故障電流
�1中的情況3�
特征�
1)集電極電流的上升速度取決于接地電感和作用于回路的電壓�
2)對地故障電流不經(jīng)過直流母線形成封閉回��
3)功率模塊脫離飽和區(qū)與否取決于故障電流的大小�
起因�
由于絕緣的失效或人為的失誤使帶電�(dǎo)線和大地電位之間存在連接�
2 ICBT和MOSFET在過載及短路時的特�
2.1 過電�
原則上,器件在過電流時的開關(guān)和通態(tài)特性與其在額定條件下運行時的特性相比并沒有什么不�。由于較大的負載電流會引起功率模塊內(nèi)較高的損�,所以,為了避免超過的允許結(jié)�,功率模塊的過載范圍�(yīng)該受到限制�
在這里,不僅僅是過載時�(jié)溫的值,而且連過載時的溫度變化范圍都是限制性因��
幾個ICBT和MOSFET的具體的限定值,由圖2所示的典型功率模塊的安全工作區(qū)給出�
2�2 短路
原則上,ICBT和MOSFET都是安全短路器件。也就是�,它們在一定的外部條件下可以承受短路,然后被關(guān)�,而器件不會產(chǎn)生損��
在考察短路�(以IGBT為例),要區(qū)分以下的兩種情況�
1)短路I
短路I是指功率模塊開通于一個已�(jīng)短路的負載回路中。也就是�,在正常情況下的直流母線電壓全部降落在功率模塊上。短路電流的上升速度由驅(qū)動參�(shù)(�(qū)動電壓、柵極電�)所決定。由于短路回路中寄生電感的存在,這一電流的變化將�(chǎn)生一個電壓降,其表現(xiàn)為集電極一�(fā)射極電壓特性上的電壓陡�,如�3所��
�(wěn)�(tài)短路電流值山功率模塊的輸出特性所決定。對于IGBT來說,典型值可達到額定電流�8~10��
2)短路�
在此情形下,功率模塊在短路發(fā)生前已經(jīng)處于�(dǎo)通狀�(tài)。和短路Ⅱ情形相比較,功率模塊所受的沖擊遠為甚之�
為了解釋這個過�,圖4顯示了短路Ⅱ的等效電路圖及其定性的特性曲線�
一旦短路發(fā)�,集電極電流迅速上升,其上升速度由直流母線電壓VDC和短路回路中的電感所決定�
在時間段1�(nèi),IGBT脫離飽和區(qū)。集電極一�(fā)射極電壓的快速變化將通過柵極 集電極電容產(chǎn)生一個位移電�,該位移電流又引起柵極一�(fā)射極電壓升高,具�(jié)果是出現(xiàn)一個動�(tài)的短路峰值電流IC/SCM�
在IGBT完全脫離飽和區(qū)�,短路電流趨于其�(wěn)�(tài)�(時間�2)。這期�,回路的寄生電感將感�(yīng)出一個電壓,其表�(xiàn)為IGBT的過電壓�
在短路電流穩(wěn)定后(時間�3),短路電流被�(guān)�。此時換流回路中的電感Lx將在IGBT上再次感�(yīng)一個過電壓(時間�4)�
IGBT在短路過程中所感應(yīng)的過電壓可能會是其正常運行時的數(shù)倍,如圖5所��
為保證安全運�,必須滿足下列重要的臨界條件�
1)短路必須被檢測出,并在不超過lOμs的時間內(nèi)�(guān)��
2)兩次短路的時間間隔最少為1s�
3)在IGBT的總運行時間�(nèi),其短路次數(shù)不得大于1000��
短路I和短路Ⅱ均將在功率模塊中引起損�,從而使�(jié)溫卜�。在這里,集電極一�(fā)射極電壓的正溫度系數(shù)有著一個優(yōu)�(對漏源電壓也同樣適用),它使得�(wěn)�(tài)短路期間的集電極電流得以降低,如�6所��
3 故障的檢測和保護
逆變器中的故障電流可以在不同的節(jié)點檢測,對被檢測到的故障電流的反�(yīng)也可能各不相��
這里將討論快速保�,前提是故障電流在功率模塊內(nèi)部被檢測到,并且功率模塊由驅(qū)動器直接�(guān)�。功率模塊的總響�(yīng)時間可能只有�(shù)十ns�
若故障電流檢測位于功率模塊之外,則故障電流信號首先被送至逆變器的控制�,并從那里出�(fā)并觸�(fā)故障反應(yīng)程序,這一過程被稱作慢保護。此過程甚至還可以由逆變器的控制�(diào)節(jié)系統(tǒng)來處�(例如,系�(tǒng)對過載的反應(yīng))�
3.1 故障電流的檢�
�7給出了一個電壓型逆變電路。在這里,可能檢測到故障電流的測試點均被注出�
故障電流的檢測可以作如下劃分�
1)過電� 可在①~⑦點檢測�
2)橋臂直通短� 可在①~④和⑥~⑦點檢測�
3)負載短路 可在①~⑦點檢測�
4)對地短路 可在①、③、⑤、⑥點檢�,或通過汁算①與②點電流之差而得��
原則�,控制短路電流要求快速的保護措施,以在驅(qū)動電路的輸出端實�(xiàn)直接控制,原因是在短路發(fā)生后功率模塊必須在lOμs之內(nèi)�(guān)�。為�,故障電流可以在檢測點③、④、⑥和⑦處檢��
在①~⑤點的測量可以通過測量分流器或感應(yīng)式電流變換器來實�(xiàn)�
3.1.1 測量用分流器
1)測量方法簡單�
2)要求低電�(1O~lOOmΩ)、低電感的功率分流器�
3)測量信號對干擾高度靈��
4)測量信號不帶電位隔離�
3�1�2 測量用電流互感器
1)遠較分流器復(fù)��
2)與分流器相比較,測量信號不易受干��
3)測量值已被隔��
在測試點⑥和�,故障電流的檢測可以直接在IGBT或MOSIEET的端子處進行。在這里,保護方法可以是vCEsat或vDS(os)檢�(間接測暈),或者是鏡像電流槍測。后者采用一個傳感器一小部分的檢測IGBT單元的辦法來反映主電�(直接測量)。圖8給出了原理電路圖�
3.1.3 用鏡像ICBT來檢測電�
在一個鏡像IGBT�,一小部分的ICBT單元和一個用于檢測的�(fā)射極電阻相結(jié)合,且并�(lián)于主IGBT的電流臂�。一旦導(dǎo)通的集電極電流通過測量電阻,便可以獲得其信息。在Rsense=0�,兩個發(fā)射極之間的電流比等于理想�,為鏡像IGBT單元�(shù)與總單元�(shù)之比。如果Rsense增大,則測量電路中導(dǎo)通的電流將因測量信號的反饋而減��
因此,電阻Rsense�(yīng)被控制在1~5Ω的范圍內(nèi),以便獲得足夠準確的集電極電流測量結(jié)果�
如果用于�(guān)斷的電流門限值只是略大于功率模塊的額定電�,那么在IGBT開通期間,因為反向�(xù)流二極管反向恢復(fù)電流峰值的作用,電流檢測必須關(guān)�(在硬開關(guān)電路�)�
若檢測電阻趨于無限大�(Rsense→∞),則其測量電壓等于集電極一�(fā)射極飽和電壓。因�,鏡像電流檢測轉(zhuǎn)化為vCEsat檢測�
3.2 故障電流的降�
通過降低或限制高額故障電流,特別足在短路和低阻抗的對地短路情況下,功率模塊可以獲得更好的保護�
如圖1中所示的那樣,在短路Ⅱ情形下,高dvCE/dt引起柵極--�(fā)射極電壓上升,進而產(chǎn)生一個動�(tài)的短路過電流�
短路電流的幅度可以通過柵極--�(fā)射極電壓的箝位來降低�
除了限制動態(tài)短路過電流外,穩(wěn)�(tài)的短路電流也可以通過減小柵極--�(fā)射極電壓的方法來減小。這一方法將減小短路期間功率模塊的損耗,同時由于需�(guān)斷的短路電流較低,過電壓也隨之降�。其原理見圖9所示�
這一保護技�(shù)可以將耐沖擊功率模塊的�(wěn)�(tài)短路電流限制在額定電流的3倍左��
4 �(jié)�
隨著電力電子技�(shù)的發(fā)�,類似IGBT、MOS-FET的功率模塊的�(yīng)用也越來越普�。為了其安全高效地工作運行,必須對功率模塊考慮過電流保護措�。首先,�(yīng)能在最短的時間�(nèi)檢測到過電流故障,然�,采取適�?shù)姆绞奖Wo功率模塊�
有時�,在過電流發(fā)生時,立即關(guān)斷功率模塊并不是方式。一個極為簡單的動態(tài)柵極控制的保護方式是,在IGBT和MOSFET過流或短路情況下采用降低柵極--�(fā)射極電壓的方�,減慢關(guān)斷過�。這就是功率模塊的“軟”關(guān)斷過��
維庫電子�,電子知�,一查百��
已收錄詞�153979�