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1 應用智能型功率模塊勢在必行 功率模塊有助于大功率應用實(shí)現可靠的集成化系統布局。智能型功率模塊將分立功率半導體器件和驅動(dòng)器集成到一個(gè)封裝中，能夠減少在設計上花費的時(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，高頻化是現代電力電子技術(shù)焦點(diǎn)之一。但現代高頻開(kāi)關(guān)電源應用空間迅速擴展，都開(kāi)始將注意力轉向以高頻變換為代表的現代電力電子技術(shù)，許多新的應用領(lǐng)域中其熱點(diǎn)也陸續發(fā)展并選中高頻開(kāi)關(guān)電源(DC/AC)。 在消費電器和一般工業(yè)應用的低功率電機驅動(dòng)領(lǐng)域中，采用轉模(transfer-molded)封裝的智能功率模塊是目前的發(fā)展趨勢。 在上述這些應用領(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。根據現代電力電子技術(shù)關(guān)于高頻電源電路應集成化、智能化及模塊化的又一特點(diǎn)，縱觀(guān)目前市場(chǎng)，應用智能型功率模塊是勢在必行。 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)現三相逆變器、SRM驅動(dòng)器和功率因數校正等各種電路拓撲。本文將從智能功率模塊的核心技術(shù)(IBGT技術(shù))及其應用作分析介紹。 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)，達到了產(chǎn)品的額定值和工業(yè)標準要求的特性，開(kāi)關(guān)性能和應用強韌性十分優(yōu)異。因為模塊化系統特性，如DBC襯底、塑封設計、芯片布線(xiàn)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。 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(zhù)升級。隨著(zhù)亞微米設計規則的引入，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)現了關(guān)斷損耗和導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) 低功耗運作常常需要更快的開(kāi)關(guān)速度，這造成了恢復電流的增加和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)化了柵極驅動(dòng)的設計，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具有低導通壓降，能夠保持總體功耗不變，同時(shí)實(shí)現低EMI特性。此外，為了獲得更佳的ESD保護，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。使用集成式保護二極管，智能功率模塊都達到工業(yè)標準ESD電平。 2.2 關(guān)于智能功率模塊的驅動(dòng)器IC 由于成本效益的原因，高壓IC (HVIC)和低壓IC (LVIC)設計具有最好的必要功能，特別適合于消費電器的逆變器驅動(dòng)。在設計方面的考慮：包括借助精細工藝技術(shù)減小芯片尺寸；由3V饋入微控制器直接驅動(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定性等等。 HVIC的一個(gè)特性是內置高電平偏移功能，如圖2所示. 能夠將來(lái)自微控制器的PWM輸入直接轉換至高邊功率器件。此外，使用外部充電反向電容CBS，可以采用單一控制電源VB驅動(dòng)智能功率模塊。 圖2 高邊驅動(dòng)器配置 另一方面，HVIC對于外部噪聲敏感，因為其信號是通過(guò)脈沖信號和SR鎖存器進(jìn)行轉換的。對于這種脈沖驅動(dòng)HVIC，高dv/dt開(kāi)關(guān)驅動(dòng)IGBT是最危險的開(kāi)關(guān)類(lèi)型。假設從漏極看LDMOS寄生電容是CM，高邊IGBT的導通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)了具有獨特拓撲的噪聲消除器，如圖2所示。V/I轉換器將電平變換器的輸出轉換成電流信息。對于具有高dv/dt的共模噪聲，V/I轉換器會(huì )給出相同的輸出。但是，對于正常運作，V/I轉換器輸出是互不相同的，因為兩個(gè)LDMOS中只有一個(gè)工作于正常的電平轉換器運作狀態(tài)。這樣可以方便地確定V/I轉換器的輸出是否是由于噪聲引起。一旦噪聲消除器識別出有共模噪聲侵入，它便吸收V/I轉換器的電流輸出。然后，V/I轉換器重建電壓信號.這個(gè)信號來(lái)自V/I轉換器的電流輸出，在VB和VS電源軌之間擺動(dòng)。最后，經(jīng)放大的信號送到SR鎖存器。 V/I和I/V轉換的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是允許負VS電壓不再受電路的閾值電壓支配。由于其獨特的拓撲，HVIC展示了出色的噪聲免疫能力，能夠耐受高達50V/ns的高dv/dt噪聲，并且擴展負電壓運作范圍，在VB=15V左右達到VS=-10V。 LVIC負責所有的保護功能及其向微控制器的反饋。它的保護電路檢測控制電源電壓、LVIC溫度以及帶外部并聯(lián)電阻的IGBT集電極電流，并在錯誤狀態(tài)中斷IGBT的操作。有關(guān)的保護應該不受溫度和電源電壓的影響。 而錯誤信號是用于通知系統控制器保護功能是否已經(jīng)激活。錯誤信號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。當錯誤發(fā)生時(shí)，錯誤線(xiàn)拉低，低邊IGBT的所有柵極被中斷。如果錯誤是過(guò)電流引起的，輸出則出現一個(gè)脈沖，然后自動(dòng)復位。首選的低信號持續時(shí)間取決于它的應用，例如，對于家電首選幾毫秒，但是在工業(yè)應用中首選低信號持續時(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(xiàn)接口相連，確保電源與信號之間噪聲的干擾很低．功率板直接使用市電電源(因為板上裝有倍壓器，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，超軟超快恢復反向并聯(lián)二極管工作頻率高達70kHz，新一代產(chǎn)品的參數分布公差小，單螺釘組裝，芯片上無(wú)熱點(diǎn)，大電流模塊可選擇負溫度系數電阻。 這些電路板十分適合那些需要六步通信或六個(gè)信號PWM(正弦調制)輸出的應用領(lǐng)域，如3相交流永磁電機或無(wú)刷電機(正弦曲線(xiàn)驅動(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) 因為除了基本的三相逆變器拓撲，更多的集成是面臨的挑戰之一。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)上已出現了數種內置自舉二極管的產(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上的高壓連結終端區域作為自舉二極管。其應用局限于額定值在100W以下的低功率應用，因為這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的應用中，最常見(jiàn)的應用是將分立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的成本增高。 如今智能功率模塊中采用了新設計的自舉二極管，其目標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)，能夠實(shí)現更多的集成同時(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)品的轉模封裝技術(shù)，以改善性?xún)r(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，它具有相對簡(jiǎn)單的結構，即功率芯片和IC安裝在銅引線(xiàn)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)格的競爭力。這樣可以針對多種應用提供派生產(chǎn)品，比如功率因數校正、開(kāi)關(guān)磁阻電機等。 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)， 應用美國IR公司的功率器件和貼片工藝生產(chǎn)。用戶(hù)可以簡(jiǎn)單方便地直接利用它或其組合設計制作成各類(lèi)高頻大功率開(kāi)關(guān)電源。 3.1 技術(shù)特征 通過(guò)圖4對該模塊內部結構的分析就一目了然。 圖4 新型DC/AC全橋式智能高頻功率模塊結構原理圖 ⑴ 具有功能較強的電源管理電路（電源控制芯片），即電流型PWM及輔助保護電。 所謂電流型即在比較器的輸入端直接用感應到的輸出電流信號與誤差放大器進(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整率，改善整個(gè)系統的瞬態(tài)響應。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兩個(gè)連續脈沖的可能性。這對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)，常出現一路輸出中有兩個(gè)連續重疊脈沖，造成橋電路上下直通而燒毀功率管。電流型PWM可根據檢測電路送來(lái)的電流信號實(shí)行逐個(gè)檢測，信號大時(shí)逐個(gè)關(guān)斷，超過(guò)極限時(shí)全保護關(guān)斷。(此時(shí)需關(guān)機啟動(dòng)，或延時(shí)3秒軟啟動(dòng)。) ⑵ 內含IC驅動(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動(dòng)器是不供地的，一般采用脈沖變壓器隔離。當頻率在數Hz到數百kHz范圍內變化時(shí)，普通的脈沖變壓器是無(wú)法勝任的。而采用IC驅動(dòng)電路就不存在上述問(wèn)題，它的固有死區能防止產(chǎn)生直通信號，它的圖騰柱電路能吸收橋電路的“米勒效應”。 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，它能感應到內部任一橋路或任一橋路的外部過(guò)流、短路，將檢測信號送往保護輔助電路進(jìn)行判斷調整或極限保護。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 應用P1電流檢測，實(shí)現恒流控制 將流過(guò)第P1腳的電流感應檢波取樣送至第9腳，經(jīng)過(guò)調整送至第8腳可進(jìn)行恒流控制。 ⑸ 具有輔助電源供電流型PWM及輔助保護電路正常工作 由啟動(dòng)電源和內反饋電源組成，它要求電壓在20Ｖ-500V范圍內能正常工作。(一般情況下在交流220v整流后350V-360V直流電壓下工作)。 由其模塊內部結構分析所知，它大大減少或克服了后級(DC-AC)分立組合所帶來(lái)的制作調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)現功能DC-AC。 ⑹ 外形尺寸（長(cháng)寬厚）為：115mm×66mm×23mm。 ⑺ 模塊使用時(shí)應按裝在散熱板上。 3.2 DC-AC智能高頻大功率變換模塊變壓器設計公式 由于DC-AC模塊應用領(lǐng)域很多，但大多數都使用到了高頻大功率變壓器，以下是設計公式和舉例。 式中： E=U1為變壓器初級直流電； N1為初級匝數； f變壓器的工作頻率； S磁芯的有效面積； 系數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，內裝4個(gè)ＩGBT，L為低頻模塊最大工作電壓500V ，H為高頻模塊。 其特點(diǎn)為：全橋式功率輸出(內裝IGBTX4)；工作頻率可調：L系列5 Hz-1000Hz，H系列10kHz-150kHz；輸出脈沖寬度可調，1%"85%脈沖方波；輸出電源整定可調，整定輸出脈寬值；適應工作電壓范圍寬10V"100V(L系列)、20V"500V(H系列)；保護范圍寬；可作為驅動(dòng)器進(jìn)行大功率擴展；開(kāi)機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)驅動(dòng)大功率MOSFET或IGBT時(shí)，其耦合驅動(dòng)變壓器可實(shí)現任意脈寬驅動(dòng)。 4 實(shí)用型全橋式DC-AC智能高頻大功率模塊應用舉例 全橋式DC/AC高頻大功率變換模塊IPG(作為后級)與PF1000A-360型AC/DC功率變換模塊(作為前級) 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(chēng)信號源)與換能器匹配組合成高聲高強度超聲波管道清洗機。以下對該新型高頻高壓大功率開(kāi)關(guān)電源設計方案做一分析介紹。 4.1模塊式高頻(22-25) kHz高壓(100V-120V)大功率（1000W）高頻開(kāi)關(guān)電源的設計方案 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；輸出功率:為1000W；輸出高頻大電流可采用LED數字顯示；工作頻率f可采用LED數字顯示；脈沖輸出電壓通過(guò)LC諧振電路應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)電源設計電原理框圖 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IC1的PF1000A-360型AC/DC大功率變換模塊和后級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的信號源(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：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)現功率因素和諧波校正，效率高達95%以上。帶有過(guò)壓保護、過(guò)熱保護和輸入浪涌保護等保護電路。模塊內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，則模塊不應正常工作 實(shí)際上R1(4.2Ω/2W)應與F3溫度保險絲(250V 2A 130℃) 相串接而成(見(jiàn)圖4所示)。 外形尺寸（長(cháng)×寬×厚）為：146mm×86mm×125mm。 模塊使用時(shí)應按裝在散熱板上。 4.2大功率高壓(100V"120V)高頻(22"25kHz)正弦波的實(shí)現 當大功率脈沖變壓器T次級N2輸出的100V"120V的脈沖波電壓加到LC諧振電路( 其L為可調高頻電感線(xiàn)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(xiàn)所示)，通過(guò)調整高頻電感線(xiàn)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)現了從AC-DC再從DC-AC高頻(22"25) kHz、 高壓(100V"120V) 大功率(1000W) 的輸出。 |
