【導讀】guidaojiaotongqianyinbianliuqidepingtaihuashejiheyikuozhanxingshiqizhuyaofazhanfangxiangzhiyi
，qiduibandaotiqijianyetichulexindexuqiu。yifangmianxuyaobandaotiqijiannengmanzugengkuandedianyadengjihedianliudengji，lingyifangmianyeyaojianrongdianlidianziqijiandexinjishu
，biruIGBT5/.XT或SiC MOSFET。這(zhe)樣(yang)既(ji)有(you)利(li)於(yu)電(dian)力(li)電(dian)子(zi)係(xi)統(tong)的(de)平(ping)台(tai)化(hua)設(she)計(ji)，也(ye)可(ke)以(yi)增(zeng)加(jia)係(xi)統(tong)的(de)功(gong)率(lv)密(mi)度(du)，減(jian)小(xiao)係(xi)統(tong)的(de)尺(chi)寸(cun)和(he)體(ti)積(ji)。因(yin)此(ci)，半(ban)導(dao)體(ti)器(qi)件(jian)需(xu)要(yao)具(ju)有(you)更(geng)低(di)的(de)雜(za)散(san)電(dian)感(gan)、更大的電流等級和對稱的結構布局。本文介紹了一種新的用於大功率應用的XHP™ 2 IGBT模塊
，包括低雜散電感設計原理、開關特性和采用IGBT5/.XT技術可以延長模塊的使用壽命等關鍵點。

引 言

IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）模塊作為現代電力電子設備能量變換的核心器件已經廣泛應用於各種應用中，比如機車牽引變流器、車載逆變器
、高低壓變頻器、太陽能逆變器、風電變流器等。在大功率應用中，一般根據係統的電壓

、功率

、拓撲結構以及其他相關參數選擇合適的IGBT模塊。由於現有IGBT模塊的封裝、電壓和電流等級各有不同，所以IGBT選型遇到的最典型問題是用不同封裝的IGBT滿man足zu係xi統tong的de電dian壓ya和he功gong率lv需xu求qiu，從cong而er可ke能neng會hui極ji大da的de限xian製zhi係xi統tong的de平ping台tai化hua設she計ji和he可ke擴kuo展zhan性xing。鑒jian於yu此ci
，新xin開kai發fa的de器qi件jian封feng裝zhuang需xu要yao能neng同tong時shi兼jian容rong更geng寬kuan的de電dian壓ya範fan圍wei和he電dian流liu等deng級ji。

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

新一代的XHP™ 2封裝采用具有低感應的設計結構，DC(+)及DC(-)端子並排帶狀布置可以顯著降低模塊的寄生電感，從而有助於開關器件實現良好的開關性能^[1]。XHP™ 2封裝適用於較寬的電壓等級

，比如1.2kV, 1.7kV和3.3kV。在低壓應用中，XHPTM 2封裝可以實現更大的額定電流I_Cnom=1800A

、兼容IGBT5/.XT技術和在更高的工作溫度T_vj,max=175℃長期可靠運行。DC(+/-)端子和母排之間的側位連接接口有助於實現較低的直流母排寄生電感^[2]。輔助端子位於模塊中間區域，有適當的高度和空間用於安裝雙麵印刷電路板(圖1)。

圖1 a) XHP™ 2封裝的典型外觀，b)輔助端子示意圖，用於在模塊上方安裝雙麵印刷電路板

DC(+/-)主端子之間的距離越小
，則模塊的寄生電感會越低^[3]。XHP™ 2的DC(+/-)主端子設計如圖2所示，模塊寄生電感L_s<10nH，爬電距離為34mm(紅色箭頭)。如有必要
，可以在DC(+)和DC(-)端子之間的凹槽裏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
，從而整個係統的寄生電感也會降低，這對於充分利用像SiC MOSFET這樣的快速開關器件來說非常重要。

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封裝可以實現高達I_Cnom=1800Aedingdianliu，shigaodianliumiduchanpinxindelichengbei
，qiduimokuaishejiyetichulegenggaodeyaoqiu
，zhuyaotiaozhanzhiyishikongzhimokuaineibudewenduhegonglvduanziwenduzaihelidefanwei。zhongsuozhouzhi，jinshudeoumusunhaoyudianliuchengpingfangguanxi
，suizhedianliumidudezengjia，mokuaineibujinshu（銅排，綁定線）的損耗快速增加
，散熱成為模塊和係統開發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
，在此先通過熱仿真對端子溫度進行初步研究^[4]，仿真涉及的相關參數定義如下，更多說明見圖3。

輸入參數：

●   T_terminal：端子表麵溫度

●   T_foot：模塊內部與基板連接處的主端子溫度

●   T_c：芯片下方的基板溫度

●   I_DC：通過端子的直流電流（有效值）

輸出參數：

●   P_out,terminal：模塊功率損耗

●   T_max：端子的最高溫度

圖3 主端子熱仿真的參數定義

基於T_c~T_foot=100℃
，T_terminal=125℃，圖4給出了端子最高溫度和模塊相電流有效值的對應曲線。流過直流端子的電流(I_DC,RMS)與模塊相電流的關係參考公式1。

在圖4中，直流端子的電流根據公式1計算。隨著相電流的增加，P_out,terminal與(yu)相(xiang)電(dian)流(liu)呈(cheng)平(ping)方(fang)關(guan)係(xi)增(zeng)加(jia)。因(yin)此(ci)，為(wei)了(le)實(shi)現(xian)更(geng)高(gao)的(de)電(dian)流(liu)密(mi)度(du)

，必(bi)須(xu)將(jiang)端(duan)子(zi)產(chan)生(sheng)的(de)損(sun)耗(hao)耗(hao)散(san)到(dao)環(huan)境(jing)中(zhong)。熱(re)量(liang)的(de)傳(chuan)遞(di)方(fang)向(xiang)由(you)主(zhu)端(duan)子(zi)的(de)溫(wen)度(du)梯(ti)度(du)決(jue)定(ding)，P_out,terminal為正值表示模塊內部的主端子溫度更高。例如，當相電流為1200A時
，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境中，以保持T_terminal為125℃。此時
，直流端子和交流端子的最高溫度也比較適中，分別為T_{max,DC terminal}大約140℃，T_{max,AC terminal}大約131℃(圖4)。這些仿真結果是XHP™ 2封裝機械設計和用紅外熱成像設備(IR)進行模塊熱驗證的基礎。

圖4 T_foot=100℃
，T_terminal=125℃時，交流、直流端子的耗散功率與輸出相電流的關係
，P_out,terminal>0W表示熱量從模塊散出


，P_out,terminal<0W表示熱量進入模塊

1.1.2 基於直流負載的紅外熱成像溫度測試

除了熱仿真模擬，還需要用紅外熱成像設備實測XHP™ 2模塊主端子的溫度。用於熱測試的XHP™ 2模塊需要去除外殼，把內部塗黑（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，塗黑）的紅外熱成像圖，直流端子的負載電流I_DC=876A，FWD平均結溫T_J,av~175℃，直流(-)端子T_foot~113℃
，直流(-)端子T_term~137℃
，螺釘位置T_terminal,DC(+/-)~110℃

圖5是基於水冷係統，T_C≈120℃，I_DC=876A工況下的直流端子紅外熱成像圖。根據公式1，直流負載電流等效於相電流I_phase,leg=1238Arms。直流負載電流從直流(-)端子經過下橋臂的二極管，上橋臂的二極管，然後從直流(+)流出，直流端子附近的溫度低於125℃。交流端子的熱測試也采用類似的水冷裝置
，圖6為T_C≈120℃
，I_DC=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，經過下橋臂的IGBT和上橋臂的二極管
，然後從直流端子流出，交流端子附近的溫度較低，約為85℃。

需(xu)要(yao)說(shuo)明(ming)的(de)是(shi)，上(shang)述(shu)熱(re)仿(fang)真(zhen)和(he)熱(re)測(ce)試(shi)的(de)條(tiao)件(jian)不(bu)同(tong)，所(suo)以(yi)不(bu)能(neng)直(zhi)接(jie)比(bi)較(jiao)溫(wen)度(du)結(jie)果(guo)。但(dan)是(shi)在(zai)模(mo)塊(kuai)進(jin)行(xing)機(ji)械(xie)設(she)計(ji)的(de)初(chu)期(qi)，可(ke)以(yi)用(yong)熱(re)仿(fang)真(zhen)初(chu)步(bu)評(ping)估(gu)端(duan)子(zi)的(de)溫(wen)度(du)，更(geng)好(hao)的(de)優(you)化(hua)端(duan)子(zi)設(she)計(ji)。

圖6 XHP™ 2模塊（不帶外殼，塗黑）的紅外熱成像圖，直流端子的負載電流I_DC=1100A

，下橋臂IGBT平均結溫T_J,av~132℃
，交流端子T_foot~107℃

，交流端子T_term~100℃，螺釘位置T_terminal,AC~85℃

1.2 XHP™ 2的動態開關特性

圖7是模塊的電路圖和俯視圖。紅色實線長方形內的端子是下橋臂IGBT的輔助發射極主端子8

，紅色虛線長方形內的端子是上橋臂IGBT的輔助發射極主端子12。端子8（12）在模塊內部與主電路相連，它們和發射極輔助端子15（11）之間有漏電感，漏電感在di/dt變化階段產生的電壓降可以用於控製IGBT的瞬態行為^[5]，所以如果有必要
，可以通過端子8（12）設計更複雜的門極驅動。

圖7 XHP™ 2模塊的電路圖和俯視圖

XHP™ 2模塊是半橋結構
，與上一代單開關IGBT模塊IHM/IHV相比，XHP™ 2的IGBT和二極管之間的換向發生在模塊內部，所以它的換流電感更小。采用英飛淩的第五代IGBT（二極管）芯片和.XT連接技術，1700V XHP™ 2模塊的最大電流可以達到1800A，連續工作結溫度T_vj,max為175℃。

圖8給出了IGBT FF1800XTR17T2P5(1800A/1700V)在結溫T_vj=25℃和175℃時的開通、關斷和二極管反向恢複測試波形。母線電壓U_DC=900V，集電極電流 I_Cnom=1800A，換流回路的總雜散電感L_S≈30nH。以25℃時的關斷波形為例，IGBT的過壓尖峰ΔU_C≈300V

，比較小。為了避免使用外加的集電極-發射極鉗位電路，必須盡量減小係統的換流電感，以降低關斷過電壓尖峰。

圖8 額定條件下
，FF1800XTR17T2P5在T_vj=25℃和175℃時的測試波形：a)IGBT開通；b)IGBT關斷；c)二極管反向恢複

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(-)功率端子的結構布局也為XHP™ 2模塊的並聯進行了優化。圖9中兩個並聯模塊的開通特性非常相似，均流效果也非常好。

圖9 兩個並聯模塊的開通波形，藍色是左模塊
，紅色是右模塊

如果沒有對模塊內部的上橋臂器件和下橋臂器件進行優化布局，則會導致上下橋臂的阻抗不相等，開通波形也會不對稱。由於XHP™ 2模塊對芯片布局和換流環路進行了優化設計，所以可以實現上下橋臂阻抗平衡和對稱的開關特性。圖10是同一個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，V_CE=700V,I_C=1800A,T_vj=25°C

2.XHP™ 2產品開發滿足係統應用需求

新的封裝通常會兼容更高的電流密度，將其和新的IGBT技術結合在一起

，可以增加係統的功率密度
、減(jian)小(xiao)係(xi)統(tong)的(de)尺(chi)寸(cun)和(he)體(ti)積(ji)。此(ci)外(wai)，對(dui)於(yu)牽(qian)引(yin)變(bian)流(liu)器(qi)而(er)言(yan)，器(qi)件(jian)的(de)使(shi)用(yong)壽(shou)命(ming)也(ye)是(shi)非(fei)常(chang)重(zhong)要(yao)的(de)選(xuan)型(xing)依(yi)據(ju)。例(li)如(ru)，城(cheng)市(shi)交(jiao)通(tong)工(gong)具(ju)主(zhu)要(yao)用(yong)於(yu)人(ren)們(men)在(zai)市(shi)內(nei)日(ri)常(chang)通(tong)勤(qin)，當(dang)車(che)輛(liang)行(xing)駛(shi)或(huo)加(jia)速(su)時(shi)
，變(bian)流(liu)器(qi)中(zhong)的(de)能(neng)量(liang)主(zhu)要(yao)通(tong)過(guo)IGBT芯片
；當車輛製動時，製動能量主要通過二極管芯片。圖11是地鐵電力驅動係統工作周期的簡化示例圖^[8]。

圖11 典型的地鐵工作周期：行駛，製動和停止

在日常運行中，地鐵短距離的啟動和停止給變流器的功率模塊帶來了巨大的溫度變化應力
，也稱為溫度循環應力。在IGBT模塊內部
，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溫波動和溫度持續時間導致的機械應力，所以IGBT模塊的標準連接技術（鋁綁定線，芯片標準焊接）也主要麵臨芯片焊層退化和鋁綁定線斷裂或者脫落等失效現象。因此
，IGBT模塊在變流器所有工況下的預期壽命是其選型的評估標準之一。為了實現變流器的預期壽命，地鐵目前使用的IGBT模(mo)塊(kuai)通(tong)常(chang)是(shi)過(guo)設(she)計(ji)。選(xuan)擇(ze)電(dian)流(liu)等(deng)級(ji)大(da)一(yi)檔(dang)的(de)模(mo)塊(kuai)，或(huo)者(zhe)使(shi)用(yong)電(dian)流(liu)等(deng)級(ji)小(xiao)的(de)模(mo)塊(kuai)並(bing)聯(lian)

，以(yi)減(jian)小(xiao)模(mo)塊(kuai)的(de)熱(re)應(ying)力(li)，滿(man)足(zu)變(bian)流(liu)器(qi)預(yu)期(qi)壽(shou)命(ming)要(yao)求(qiu)。因(yin)此(ci)

，牽(qian)引(yin)變(bian)流(liu)器(qi)的(de)IGBT模塊工作結溫通常明顯低於模塊規定的最高溫度，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，必須改進上述模塊內部的退化
、脫落或者斷裂等失效機製
，或者如有可能，完全消除這些失效機製，從而增加器件的預期壽命和輸出電流。1700V XHP™ 2模塊采用了英飛淩最新和最堅固的第5代IGBT和二極管芯片
，外加.XT連接技術
，所以它具有非常強大的溫度循環能力^[9]。為了量化這種效果
，我們對使用IGBT5和.XT的XHP™ 2模塊與使用IGBT4和標準連接技術的IHM模塊進行了比較。假定牽引變流器典型的壽命目標為25年，即每年的壽命消耗低於4%。基於地鐵電驅動係統的典型工作周期(圖11)，圖12給出了IGBT結溫(紅色)、二極管結溫(綠色)和基板溫度(藍色)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，明顯低於25年壽命要求
，因此需要增加模塊電流
，例如模塊並聯
，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，但由於采用了.XT連接技術
，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。

對於上述這種典型的應用，1200A,1700V XHP™ 2mokuaiwanquanfuhebianliuqideyuqishoumingyaoqiu。youyumokuaideshoumingxiaohaoqujueyushijigongkuang，qishoumingzaibutongtiaojianxiakenenghuibutong。yinci
，mokuaideshoumingxiaohaoxuyaogenjumokuaizhongleihejutigongkuangjinxingdandupinggu。

圖12 基於標準的城市地鐵交通工作周期的IGBT結溫，IHM(上圖)和XHP™ 2(下圖)

總結 

本文介紹了適用於下一代大功率應用的XHP™ 2封裝,它能兼容3.3kV及以下電壓等級和高達1800A的電流等級，同時還具有雜散電感低、結構對稱、適合快速開關器件如SiC-MOSFET等(deng)特(te)性(xing)。隨(sui)著(zhe)電(dian)流(liu)密(mi)度(du)的(de)增(zeng)大(da)，模(mo)塊(kuai)功(gong)率(lv)端(duan)子(zi)的(de)損(sun)耗(hao)成(cheng)為(wei)一(yi)個(ge)重(zhong)要(yao)的(de)問(wen)題(ti)，通(tong)過(guo)端(duan)子(zi)的(de)優(you)化(hua)設(she)計(ji)可(ke)以(yi)降(jiang)低(di)它(ta)的(de)電(dian)阻(zu)和(he)損(sun)耗(hao)，但(dan)不(bu)能(neng)消(xiao)除(chu)它(ta)們(men)
，所(suo)以(yi)應(ying)該(gai)在(zai)係(xi)統(tong)設(she)計(ji)中(zhong)進(jin)行(xing)考(kao)慮(lv)。英(ying)飛(fei)淩(ling)公(gong)司(si)的(de)IGBT5和.XT技術使功率模塊具有極其強大的溫度循環耐受能力和預期壽命，基於城市地鐵交通典型工況的對比分析也驗證了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用對牽引變流器的平台化設計需求。

參考文獻

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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： 英飛淩

作者：Waleri Brekel, Wilhelm Rusche, Alexander Höhn, Wolfgang Bücker

翻譯：馬新

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