新型結構igbt功率模組—flowphase
lowphase、變頻器、寄生電感
1 引言
在中大功率變頻器的設計中，igbt模組已經得到越來越廣泛的應用。但由於現有igbt模組繼承了以前大功率閘流體的結構特點，仍然採用螺栓式的連線方法。造成的問題一是寄生電感大，emi問題嚴重；二是由於必須通過銅排進行連線，成本高。
泰科電子（tyco）針對以上問題，推出了新型結構的igbt功率模組：flowphase 0，如圖1所示。它是基於power flow的設計理念進行設計，寄生電感小，而且非常方便佈線；另外在結構設計上繼續採用clip in技術，使得電路板，功率模組和散熱器的連線更加簡單可靠。
flowphase 0家族的模組是半橋結構，現有產品可以覆蓋變頻器15kw到30kw的應用。
圖1 flowphase 0 igbt模組示意圖
2 pcb佈線
對於模組本身的設計,結構的緊湊性很重要,但是更重要的是如何合理的布局模組的管腳。泰科flowphase 0模組在結構布局上具有以下特點,如圖2所示。
圖2 全橋逆變使用示意圖
● 模組內部電流流距短；
● 模組內部強弱電隔離分布；
● 在模組內部晶元布局時，綜合考慮了外部pcb佈線的簡易性；
● 模組符合ul認證標準。
這些特點使得模組在實際應用時具有以下優點：
● 功率線短，方便佈線且寄生電感小；
● 只要兩層電路板就可以滿足要求；
● 輸入，輸出功率線沒有交叉，電磁相容性好；
● 門極驅動管腳靠近驅動電路，驅動特性好；
● 使得變頻器緊湊結構設計成為可能。
3 寄生電感
在高頻應用場合中，寄生電感是造成igbt關斷過電壓，關斷損耗增加的罪魁禍首。因為在關斷igbt時，由於電流突變，會在寄生電感上感應出乙個電壓。這個電壓疊加在直流母線電壓上造成關斷電壓尖峰，具體原理如下式所示：
vce(peak)=vce+l×di/dt
其中寄生電感l是直流母線上電流流過igbt所包圍的面積的等效電感，如下圖3所示。
圖3 寄生電感示意圖
所以對於變頻器設計者來說，如何有效降低迴路中的寄生電感就顯得非常重要。flowphase 0模組由於按照power flow的設計理念進行設計，模組內部寄生電感小。另外它的結構特點使得使用者可以在pcb正反兩面疊加布置直流母線，這樣可以大大降低直流母線電壓正負端的距離，從而減小迴路面積，降低模組外部寄生電感。
4 熱特性
考慮到模組應用上的高功率密度，模組內部使用了直接銅熔結（dcb-direct copper bonding）陶瓷基板。對於通用型模組，flowphase 0使用了三氧化二鋁（al2o3）陶瓷基板，對於高效能產品，使用了氮化鋁（aln）陶瓷基板，它的導熱性能要比al2o3好五倍以上。
為了降低整個igbt模組的功率損耗，模組內部使用了最新的低損耗型溝槽柵場終止晶元。另外由於flowphase 0是半橋結構模組，通過分散放置，可以有效降低中心熱點的溫度，改善模組的熱特性，最大化的利用散熱器，具體如圖4所示。
圖4 全橋、半橋模組散熱熱點溫度示意圖
5 安裝
igbt模組結構上最脆弱的地方在管腳上，為了有效防止在焊接過程，安裝過程以及實際使用時，模組管腳上承受過大的拉力或者震動力，flowphase 0模組在結構上採用了clip in技術，完美的實現了模組，電路板和散熱器的有效固定，具體如圖5所示。
圖5 clip in 原理
6 結束語
泰科公司（tyco）flowphase 0模組提供了低寄生電感，較好的熱特性以及完美的結構固定方案，可以滿足15kw到30kw變頻器客戶的需要。
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