IPM功率模块分析

引言

IPM智能功率模块是先进的混合集成功率器件，由高速、低功耗的IGBT芯片和优化的门极驱动以及保护电路构成。由于采用了能连续监测功率器件电流的、有电流传感功能的IGBT芯片，从而可实现高效的过流保护和短路保护。由于IPM智能功率模块集成了过热和欠压锁定保护电路，因而系统的可靠性得到了进一步提高。

IPM智能功率模块的性能特点

IPM智能功率模块的优点

使用智能功率模块可以使生产厂家降低在设计、开发和制造上的成本。与普通的IGBT 相比，在系统性能和可靠性上有进一步的提高。由于IPM集成了驱动和保护电路，使得用户的产品设计变得相对容易，并能缩短开发周期；由于IPM通态损耗和开关损耗都比较低，使得散热器减小，因而系统尺寸也减小；所有的IPM均采用同样的标准化与逻辑电平控制电路相联的栅极控制接口，在产品系列扩充时无需另行设计电路。IPM 在故障情况下的自保护能力，也减少了器件在开发和使用中过载情况下的损坏机会。

IPM智能功率模块安全工作区

IPM内置的栅极驱动电路和保护电路可以对许多违反IGBT模块安全工作区（SOA）的运行模式加以保护，智能功率模块的开关安全工作区和短路安全工作区定义概述如下：

开关安全工作区

开关（关断）安全工作区通常定义为在重复关断运行时的最大允许瞬时电压和电流。对于IPM，内置栅极驱动取消了因不正确的栅极驱动而造成的许多电压和电流的危险组合，此外，最大工作电流受过流保护电路的限制。根据这些限制条件，开关安全工作区可用图1中的波形来定义，只要主电路直流母线电压低于数据手册中的Vcc(port)指标，每个IPM功率单元的C-E间关断瞬时电压低于VCES指标，Tj小于125℃，控制电源电压在13.5V和16.5V之间，IPM将会安全工作。波形中的IOC是IPM的过流故障不会动作的最大允许电流。换句话说，它正好处在OC动作数值以下。该波形定义了硬关断操作的最坏情况，当电流高于OC动作数值时，IPM将关断该电流。

短路安全工作区

图2是一个典型的短路运行波形。标准测试条件用最小阻抗短路来产生流过该器件的最大短路电流。在测试中，短路电流（ICS）只受器件特性的限制，只要主电路直流母线电压低于Vcc(port)规定值，每个IPM功率单元的C-E间所有瞬时电压低于VCES指

标，Tj小于125℃，控制电源电压在13.5V和16.5V之间，对于非重复性的短路，IPM 保证不会损坏。波形显示了IPM为了减低浪涌电压而使用的软关断。

IPM智能功率模块的自保护功能

自保护特点

IPM有精良的内置保护电路以避免因系统失灵或过应力而使功率器件损坏的情况。内置保护功能的框图如图3所示。如果IPM模块其中有保护电路动作，IGBT栅极驱动单元就会关断电流并输出一个故障信号（FO）。

控制电源欠压锁定

内部控制电路由一个15V直流电源供电。如果由于某种原因这一电源电压低于规定的欠压动作数值（UV），则该功率器件将被关断并输出一个故障信号。如果小毛刺干扰时间小于规定的tdUV，则不影响控制电路工作，欠压保护电路也将不工作。

保护后，要恢复正常工作，电源电压必须超过欠压复位数值（UVr）。欠压保护电路在控制电源上电和掉电期间都要保持工作。

过热保护

在靠近IGBT芯片的绝缘基板上安装温度传感器。如果基板温度超出过热动作数值（OT），IPM内部控制电路将截止栅极驱动，不影响控制输入信号，直到温度恢复正常，从而保护了功率器件。当温度回落至过热复位数值（OTr）以下，并且控制输入为高电平（关断状态），功率器件将接收下一个低电平（开通状态）输入信号并恢复正常工作。

过流保护

如果流过IGBT的电流超出过流动作数值（OC）的时间大于toff(OC)，IGBT将被关断。

超过OC数值但时间小于toff(OC)的电流短脉冲并不危险，过流保护电路将不予处理。当检测出过电流时，IGBT将被软关断，同时输出一个故障信号。受控的软关断能控制关断大电流而发生的浪涌电压。

短路保护

如果负载发生短路而导致上下臂同时导通，IPM内置短路保护电路将关断IGBT。如果流经IGBT的电流超出短路保护动作数值（SC），软关断立即启动并输出一个故障信号。为缩短SC检测与SC关断之间的响应时间，IPM采用了实时电流控制电路（RTC）。SC动作时，实时电流控制电路直接监测IGBT驱动的末级电路，因此响应时间可以减小到不足100ns。

IPM智能功率模块的驱动电路设计

驱动电路的要求

一个低电平输入信号将使IGBT开通。典型地，IPM的输入脚被用一个连接到控制电源正侧的电阻拉高，把控制输入拉低则产生一个“开通”的信号。

故障输出信号FO表现为集电极开路，如果发生故障，开路集电极器件即行接通，故障输出脚从控制电源正端吸收电流。

接口电路设计中布线很重要。为避免dv/dt噪声耦合到控制电路，在布线中一定要仔细考虑：在上臂接口电路之间、上臂和下臂接口电路之间的寄生电感都会产生噪声的问题。

驱动电路的原理

图4是用于空调机变频控制器的三菱公司的六合一IPM智能功率模块

——PM20CTM060驱动电路的原理图。开关控制信号和故障信号是通过隔离接口电路同系统控制器连接的。TLP559的特点是开关速度高，每秒达1M次。TLP521则具有电流传输比（CTR）大的特点，CTR值达200，图中的R508是一个上拉电阻，它是确保在IPM智能功率模块没有故障时VFO的输出为高电平。

在使用IPM的设计中，4路15V电源的质量要求比较高，波动范围为15 V±10%，否则会影响IPM工作的可靠性。而隔离光耦的选择也十分重要，电流传输比（CTR）应在100~200之间，隔离光耦的输入端是TTL电平，其输入电流应设定为8~10mA。若设计不当，则会增加IGBT工作在放大区的时间，导致IGBT功耗增大，不能充分发挥IPM 的效能。另外为了防止IGBT上下桥臂同时导通，软件设计时，在上下桥臂导通上设有死区时间（即互锁时间）。若硬件设计不当，则会导致所需死区时间延长，从而增加IPM三相输出的高次谐波成分，致使压缩机运行振动增加，效率下降。

驱动电路印刷电路板的设计

驱动电路印刷线路板丝印面见图5。IPM智能功率模块的驱动电路印刷电路板采用带金属化孔的双面PCB板制作，在设计中注意考虑以下三点：

1、不应把因IPM开关时容易引起电位变化的走线布得太近，因为高的dv/dt会通过寄生电容耦合噪声；信号线与电源线不要平行走线，以防互相干扰。

2、光耦合器的输出脚和IPM输入脚之间在PCB上走线应尽量短，小于2~3cm，因为长的走线容易拾取电路其它部分的噪声。

3、电源上用的滤波瓷片电容应尽量靠近相应的IPM引脚。在本设计中这四个电容（C505~C508）选用的是低感退耦电容，并直接焊接在IPM相应的引脚上。

IPM模块的静电防护

带静电的人体或其它过大的电压施加到栅-源（或发射极）上可能毁坏芯片。抗静电的基本措施就是尽量阻止静电的产生并尽快将电荷释放掉。

在焊接IPM智能模块时，应保证烙铁头良好接地，烙铁温度应控制在330℃～350℃温度范围内，焊接时间小于10s；在电控箱体的装配过程中，应将测试设备和人体良好接地，推荐在工作台和周围的地板上铺放导电毯，并将之接地。

结语

随着变频技术的日趋成熟，IPM在变频家电中的应用也越来越广泛，这也必将推动IPM 技术的发展，早日开发出性价比更高的智能功率模块。

变频器主电路选型

通用变频器综合设计 1、设计一个采用二极管整流桥和IGBT的交-直-交电压型变频器主电路，并选择主要元器件的参数。 输入电压范围： 380~480V（正负10%），输出功率11kw（当输出电压为380V时），功率因数75 ?，采用三相SVM PWM，fs=1~15kHz。 .0 cos= （1）选择整流桥和IGBT（EUPEC或三菱均可），根据三菱或EUPEC网站上的程序，计算整流桥和IGBT模块的结温、使用寿命：计算做热Ta=40o C的Rthc-a，选择自冷或风冷情况下的变频器的散热器。（2）Udmax=800V，选择电解电容的耐压和容量，计算电解电容的寿命，自己查资料，如EPCOS、CDE（无感电容）、BHC等。 2、设计上述变频器的保护方案（原理框图，各环节的设计依据，电路框图，主要参数） （1）选择三个输出交流侧霍尔电流传感器的过电流、过载保护方案，设计相应的保护电路（HL传感器，电流放大滤波通道，A/D转换参考电压为5V）。 （2）设计IGBT直通保护和输出短路保护（相间，对地），可选择用带保护的驱动IC实现。 （3）直流侧的电阻能耗制动电路，给出一种软件或硬件控制方案。（制动点的选择） （4）直流侧过电压保护的硬件电路

根据题目要求，本系统主电路可用三相二极管不可控桥式整流电路、中间直流环节和三相IGBT桥式逆变电路三部分组成，实现交-直-交电压型变频器的功能，其拓扑结构如图1所示。 图 1 交—直—交电压型变频器拓扑结构 AC-DC-AC主电路主要包括：整流电路、滤波电路、制动电路以及逆变电路。整流侧采用三相不可控二极管整流桥将交流电整流为直流电，这样功率因数接近于1。由于不控整流出来的电压是脉动的，需要经过滤波电路后供给逆变电路，所以直流侧电容起稳压和滤波的作用。因为考虑到电动机的回馈能量，防止直流侧电压升高，加入能耗制动电路，逆变桥采用三相桥式结构。图中，在直流侧电容前接入了一个与限流电阻相并联的开关，这是由于电容的电容量很大，当合闸突加电压时电容相当于短路，将产生很大的充电电流可能会损坏整流二极管，为了限制充电电流，可以采用限流电阻和延时开关组成的预充电电路对电容进行充电，当电源合闸后延时开关延时数秒，此时通过电阻对电容充电，当电容电压升高到一定值后，闭合开关将限流电阻短路，避免正常运行时的附加损耗。 一、整流逆变元件参数及热设计 1.1 主电路元件选择及其参数 1.1.1 整流二极管的选型

散热器的选型与计算

散热器的选型与计算 以7805为例说明问题. 设I=350mA,Vin=12V,则耗散功率Pd=(12V-5V)*0.35A=2.45W 按照TO-220封装的热阻θJA=54℃/W,温升是132℃,设室温25℃,那么将会达到7805的热保护点150℃,7805会断开输出. 正确的设计方法是: 首先确定最高的环境温度,比如60℃,查出7805的最高结温TJMAX=125℃,那么允许的温升是65℃.要求的热阻是65℃/2.45W=26℃/W.再查7805的热阻,TO-220封装的热阻θJA=54℃/W,均高于要求值,都不能使用,所以都必须加散热片,资料里讲到加散热片的时候,应该加上4℃/W的壳到散热片的热阻. 计算散热片应该具有的热阻也很简单,与电阻的并联一样,即54//x=26,x=50℃/W.其实这个值非常大,只要是个散热片即可满足. 散热器的计算: 总热阻RQj-a=(Tjmax-T a)/Pd Tjmax :芯组最大结温150℃ Ta :环境温度85℃ Pd : 芯组最大功耗 Pd=输入功率-输出功率 ={24×0.75+(-24)×(-0.25)}-9.8×0.25×2 =5.5℃/W

总热阻由两部分构成,其一是管芯到环境的热阻RQj-a,其中包括结壳热阻RQj-C和管壳到环境的热阻RQC-a.其二是散热器热阻RQd-a,两者并联构成总热阻.管芯到环境的热阻经查手册知RQj-C=1.0 RQC-a=36 那么散热器热阻RQd-a应<6.4. 散热器热阻RQd-a=[(10/kd)1/2+650/A]C 其中k:导热率铝为2.08 d:散热器厚度cm A:散热器面积cm2 C:修正因子取1 按现有散热器考虑,d=1.0A=17.6×7+17.6×1×13 算得散热器热阻RQd-a=4.1℃/W, 散热器选择及散热计算 目前的电子产品主要采用贴片式封装器件，但大功率器件及一些功率模块仍然有不少用穿孔式封装，这主要是可方便地安装在散热器上，便于散热。进行大功率器件及功率模块的散热计算，其目的是在确定的散热条件下选择合适的散热器，以保证器件或模块安全、可靠地工作。 散热计算 任何器件在工作时都有一定的损耗，大部分的损耗变成热量。小功率器件损耗小，无需散热装置。而大功率器件损耗大，若不采取散

现代功率模块及器件应用技术

现代功率模块及器件应用技术(1)-IGBT和MOSFET功率模块 0 引言 最近20年来，功率器件及其封装技术的迅猛发展，导致了电力电子技术领域的巨大变化。当今的市场要求电力电子装置要具有宽广的应用范围、量体裁衣的解决方案、集成化、智能化、更小的体积和重量、效率更高的芯片、更加优质价廉、更长的寿命和更短的产品开发周期。在过去的数年中已有众多的研发成果不断提供新的、经济安全的解决方案，从而将功率模块大量地引入到一系列的工业和消费领域中。 因此，有必要就功率模块的应用技术，如选型、驱动、保护、冷却、并联和串联以及软开关电路等，进行一次全面的系列介绍。 1 IGBT和MOSFET功率模块 1.1 应用范围 如图1所示，当前众多的电力电子电路可由功率MOSFET或IGBT来实现。从上世纪80年代开始，它们先后出现于市场。与传统的晶闸管相比，它们具有一系列的优点，如可关断的特性（包括在短路状态下）、不需要缓冲网络、控制单元简单、开关时间短、开关损耗低等。

图1 功率半导体的应用范围 现在，电力电子技术不断地渗透到新的应用领域中，这首先归功于IGBT和功率MOSFET的迅速发展。同时，它们的应用在其现有的领域内也在不断地深化。数年前，高耐压双极型功率晶体管还被广泛地应用着。而现在只能在少数例外情况下发现它的踪影，其位置已几乎完全被IGBT所取代。 在电流达数十A或以上的应用中，功率MOSFET及IGBT大多为含有硅芯片的绝缘式功率模块。这些模块含有一个或数个晶体管单元，以及和晶体管相匹配的二极管（续流二极管），某些情况下还含有无源元件和智能部分。 虽然功率模块存在仅能单面冷却的缺点，但它还是被广泛地应用于大功率电力电子技术中，与同期问世的平板式IGBT/二极管器件一争高低。尽管平板式器件在双面冷却的条件下可以多散发约30％的热损耗，但功率模块仍然受到用户广泛的欢迎。其原因除了安装简易外，还在于模块的芯片和散热器之间的绝缘、其内部多个不同元器件的可组合性、以及由于大批量生产而导致的低成本。 在当今的市场上，尽管各种有竞争性的功率器件都在不断地发展，但是IGBT模块却稳稳胜出，它的功率范围也在不断延伸。目前生产的IGBT模块已具有了65kV、4.6kV、3.3kV和2.5kV的正向阻断电压。以此为基础，MW 级的、电压至6kV的变流器（采用IGBT串联的电路）已经出现。 另一方面，MOSFET则被应用于越来越高的频率范围。今天，使用合适的电路拓扑与封装技术，已经可以在500kHz 以上实现较大的电流。 IGBT和MOSFET模块已经成为集成电子系统的基本器件，同时也正在成为集成机电系统的基本器件。 1.2 结构和基本功能 下面所述的功率MOSFET和IGBT均指n沟道增强型，因为，它代表了构成功率模块的晶体管的主流。 在一个正向的驱动电压作用下，一块p导通型的硅材料会形成一个导电的沟道。这时，导电的载流子为电子（多子）。在驱动电压消失后，该器件处于截止状态（自截止）。 在大多数情况下，人们采用图2和图4所示的垂直式结构。在这里，栅极和源极（MOSFET）或发射极（IGBT）均位于芯片上表面，而芯片底面则构成了漏极（MOSFET）或集电极（IGBT）。负载电流在沟道之外垂直通过芯片。 在图2所示的功率MOSFET和图4所示的IGBT具有平面式栅极结构，也就是说，在导通状态下，导电沟道是横向的（水平的）。 平面栅极（在现代高密度晶体管中更发展为双重扩散栅极）仍是目前功率MOSFET和IGBT中占统治地位的栅极结构。 平面式MOSFET和IGBT结构是从微电子技术移植而来的，其漏极或集电极由n＋（MOSFET）或p＋（IGBT）井区构成，位于芯片表面。负载电流水平地流经芯片。借助于一个氧化层，n区可以与衬底相互隔离，从而有可能将多个相互绝缘的MOSFET或IGBT与其他结构一起集成于一个芯片之上。 由于平面式晶体管的电流密度仅能达到垂直式结构的30％，因而明显地需要更多的安装面积，所以，它们主要被用在复杂的单芯片电路中。 从构造上来看，功率MOSFET（图2）以及IGBT（图4）由众多的硅微单元组成。每cm2芯片上的单元数可达8.2×105（最新的耐压为60V的MOSFET）以及1×105（高耐压IGBT）。 图2、图4显示了MOSFET和IGBT具有相似的控制区结构。 n－区在截止状态下构成空间电荷区。p导通井区被植入其内，它在边缘地带的掺杂浓度较低（p－），而在中心地带则较高（p＋）。

功率模块选型设计

功率模块选型设计 对于一个具体的应用来说，选择功率模块时需要考虑其在任何静态、动态、过载（如短路）的运行情况下： ①器件耐压； ②在实际的冷却条件下，电流的承受力； ③最适合的开关频率； ④安全工作区(SOC)限制； ⑤散热条件与最高运行温度限制； ⑥封装和安装方式 ⑦成本和技术风险 (1)器件耐压设计=(+)K2 =(1.15*600+200)*1.1 =979(V) (1) 式中： ——过电压系数 ——安全系数 ——额定直流电压 ——关断即将结束时的尖峰电压 考虑到回馈制动，电压波动，开关过程引起的电压尖峰等因素，通常选择功率管器件耐压都是母线电压的一倍，故IGBT的电压额定值选用1200V。 (2)器件的电流选择

在电力电子设备中，选择功率管模块时，通常先计算通过功率管的最大电流值，然后根据该设备的特点，考虑到过载、电压波动、开关尖峰、温度等因素考虑一倍的安全余量来选择相应的功率管。 流过IGBT的最大电流为： = =300××1.2×1×1.5 =763.56(A) (2) 式中： ——电流尖峰系数 ——温度降额系数 ——过载系数 ——牵引电动机峰值电流 IGBT的电流额定值选用=800A (3)合适的开关频率 功率管的损耗主要由通态损耗和开关损耗组成，不同的开关频率，通态损耗和开关损耗所占的比例不同。而决定功率管通态损耗的饱和压降和决定开关损耗的开关时间（,）又是一对矛盾，因此应根据不同的开关频率来选择不同特征的功率管。 在低频如<10kHz时，通态损耗是主要的，这需要选择低饱和压降型功率管；当≥15kHz时，开关损耗是主要的，通态损耗占的比例比较小。

功率模块封装结构及其技术

功率模块封装结构及其技术 摘要：本文从封装角度评估功率电子系统集成的重要性。文中概述了多种功率模块的封装结构形式及主要研发内容。另外还讨论了模块封装技术的一些新进展以及在功率电子系统集成中的地位和作用。 1 引言 功率（电源或电力）半导体器件现有两大集成系列，其一是单片功率或高压集成电路，英文缩略语为PIC或HI VC，电流、电压分别小于10A、700V的智能功率器件/电路采用单片集成的产品日益增多，但受功率高压大电流器件结构及制作工艺的特殊性，弹片集成的功率/高压电路产品能够处理的功率尚不足够大，一般适用于数十瓦的电子电路的集成；另一类是将功率器件、控制电路、驱动电路、接口电路、保护电路等芯片封装一体化，内部引线键合互连形成部分或完整功能的功率模块或系统功率集成，其结构包括多芯片混合IC封装以及智能功率模块IPM、功率电子模块PEBb、集成功率电子模块等。功率模块以为电子、功率电子、封装等技术为基础，按照最优化电路拓扑与系统结构原则，形成可以组合和更换的标准单元，解决模块的封装结构、模块内部芯片及其与基板的互连方式、各类封装（导热、填充、绝缘）的选择、植被的工艺流程的国内许多问题，使系统中各种元器件之间互连所产生的不利寄生参数少到最小，功率点楼的热量更易于向外散发，其间更能耐受环境应力的冲击，具有更大的电流承载能力，产品的整体性能、可能性、功率密度得到提高，满足功率管理、电源管理、功率控制系统应用的需求。 2 功率模块封装结构 功率模块的封装外形各式各样，新的封装形式日新月异，一般按管芯或芯片的组装工艺及安装固定方法的不同，主要分为压接结构、焊接结构、直接敷铜DBC基板结构，所采用的封装形式多为平面型以及，存在难以将功率芯片、控制芯片等多个不同工艺芯片平面型安装在同一基板上的问题。为开发高性能的产品，以混合IC封装技术为基础的多芯片模块MCM封装成为目前主流发展趋势，即重视工艺技术研究，更关注产品类型开发，不仅可将几个各类芯片安装在同一基板上，而且采用埋置、有源基板、叠层、嵌入式封装，在三维空间内将多个不同工艺的芯片互连，构成完整功能的模块。 压接式结构延用平板型或螺栓型封装的管芯压接互连技术，点接触靠内外部施加压力实现，解决热疲劳稳定性问题，可制作大电流、高集成度的功率模块，但对管芯、压块、底板等零部件平整度要求很高，否则不仅将增大模块的接触热阻，而且会损伤芯片，严重时芯片会撕裂，结构复杂、成本高、比较笨重，多用于晶闸管功率模块。焊接结构采用引线键合技术为主导的互连工艺，包括焊料凸点互连、金属柱互连平行板方式、凹陷阵列互连、沉积金属膜互连等技术，解决寄生参数、散热、可靠性问题，目前已提出多种实用技术方案。例如，合理结构和电路设计二次组装已封装元器件构成模块；或者功率电路采用芯片，控制、驱动电路采用已封装器件，构成高性能模块；多芯片组件构成功率智能模块。DBC基板结构便于将微电子控制芯片与高压大电流执行芯片密封在同一模块之中，可缩短或减少内部引线，具备更好的热疲劳稳定性和很高的封装集成度，DBC通道、整体引脚技术的应用有助于MCM的封装，整体引脚无需额外进行引脚焊接，基板上有更大的有效面积、更高的载流能力，整体引脚可在基板的所有四边实现，成为MCM功率半导体器件封装的重要手段，并为模块智能化创造了工艺条件。

机电一体化大学本科方案设计书[1]

河南职业技术学院 毕 业 论 文 院校：河南职业技术学院 题目：机电一体化中的电机控制与保护 专业：机电一体化 班级：07级 姓名：靳振平 内容摘要：据机电一体化技术的发展前景，提出一种新型电动执行机构的设

计方案，详细介绍了该执行机构各功能元件的选型与设计、阀位及速度控制原理以及各种关键问题的解决方法。该执行机构将阀门、伺服电机、控制器合为一体，采用8031单片机、变频技术实现了阀门的动作速度和位置控制，解决了阀门的精确定位、阀门柔性开关、极限位置判断、电机保护及模拟信号隔离等技术问题。现场运行情况表明，该电动执行机构具有动作快、保护完善以及便于和计算机通讯等优点，充分利用了机电一体化技术带来的方便快捷。 关键词：电动机阀门继电器保护机电一体化技术总结 引言

在现代化生产过程控制中，执行机构起着十分重要的作用，它是自动控制系统中不可缺少的组成部分。现有的国产大流量电动执行机构存在着控制手段落后、机械传动机构多、结构复杂、定位精度低、可靠性差等问题。而且执行机构的全程运行速度取决于其电机的输出轴转速和其内部减速齿轮的减速比，一旦出厂，这一速度固定不可调整，其通用性较弱。整个机构缺乏完善的保护和故障诊断措施以及必要的通信手段，系统的安全性较差，不便与计算机联网。鉴于以上原因，采用传统的大流量电动执行机构的控制系统，可靠性和稳定性较差。随着计算机网络、现场总线等技术在工业过程中的应用，这种执行机构已远远不能满足工业生产的要求。笔者设计的大流量电动执行机构，采用机电一体化技术，将阀门、伺服电机、控制器合为一体，利用异步电动机直接驱动阀门的开与关。通过内置变频器，采用模糊神经网络，实现阀门的动作速度、精确定位、柔性开关以及电机转矩等控制。该电动执行机构省去了用于控制电机正、反转的接触器和可控硅换向开关模件、机械传动装置和复杂、昂贵的控制柜和配电柜，具有动作快、保护较完善、便于和计算机联网等优点。实际运行表明，该执行机构工作稳定，性能可靠。自电子技术一问世,电子技术和机械技术的结合就开始了,只是出现了半导体集成电路,尤其是出现了以微处理器为代表的大规模集成电路以后,"机电一体化"技术之后有了明显进展,引起了人们的广泛注重.

功率器件的散热计算及散热器选择详细说明

功率器件的散热计算及散热器选择 H e a t D i s p e r s i o n C a l c u l a t i o n F o r P o w e r D e v i c e s a n d R a d i a t o r s S e l e c t i o n 功率管的散热基础理论 功率管是电路中最容易受到损坏的器件.损坏的大部分原因是由于管子的实际耗散功率超过了额定数值.那么它的额定功 耗值是怎样确定的,还有没有潜力可挖呢?让我们来分析一下. 晶体管耗散功率的大小取决于管子内部结温Tj. 当Tj 超过允许值后,电流将急剧增大而使晶体管烧毁.硅管允许结温一般是125~200℃,锗管为85℃左右(具体标准在产品手册中给出).耗散功率是指在一定条件下使结温不超过最大允许值时的电流与电压乘积.管子消耗的功率越大,结温越高.要保证结温不超过允许值,就必须将产生热散发出去.散热条件越好,则对应于相同结温允许的管耗越大,输出也就越大.因此功率管的散热问题是至关重要的. 热阻 为了描述器件的散热情况,引入热阻的概念.电流流过电阻R ，电阻消耗功率RI 2[W]（每秒RI 2焦耳能量），导致电阻温度上升。用隔热材料覆盖电阻，电阻产生的热量不能散发时，则电阻温度随着时间增加而上升，直至电阻烧坏。 一般而言，二物体间的温差越大，温度高的物体向低的物体移动量增多。某电阻置于空气中（如图6.33所示），由于流过电流向电阻提供功率，这功率变为热能。在使电阻温度生高的同时，部分热能散发于空气中。开始有电流流过电阻时，电阻温度不高，因此散发的热也小，电阻温度逐渐上升，散发的热量也上升 与用电阻表示对电流的阻力类似.热阻表示热传输时所受的阻力.即由U1-U2=I ×R 可有类似的关系 T1-T2=P ×R T (1-1) 其中T1-T2为两点温度之差,P 为传输的热功率,R T 是传输单位功率时温度变化度数,单位是℃/W.RT 越大表明相同温差下散发的热能越小.于是结温Tj,环境温度Ta,管耗PCM 及管子的等效热阻R T 之间有以下的关系 Tj-Ta=P CM ×RT (1-2) 若环境温度一定(常以25℃为基准), Tj 已定,则管子等效热阻越小,管耗P CM 就越可以提高.下面我们来看看管子的散热途径及等效热阻的情况. 以晶体管为例.图1-1(a)是晶体管散热的示意图.从管芯(J-Junction)到环境(A-Ambient)之间有几条散热途径: 管芯(J)到外壳(C-Case),通过外壳直接向环境(A)散热;或通过散热器(S)(中间有界面)向环境散热.不同的管芯(指材料、工艺不同)本身的散热情况不同,或者说热阻不同.外壳、散热器等的热阻也各不相同.我们可用一个等效电路来模拟这个散热情况,如图1-1(b)所示.散发的热能Pc 表示为电流的形式;两点的温度分别为结温Tj,和环境温度Ta;结到外壳的热租用Rjc 表示,外壳到环境用Rca 表示,外壳到散热器用Rcs 表示,散热器到环境用Rsa 表示,加散热器后有两条并存的散热途径. 图1-1 晶体管散热情况分析 (a)晶体管散热示意图 (b)散热等效电路 对于小功率管,一般不用散热器,则管子的等效热阻为 R T = Rjc+ Rca (1-3) 而大功率管加散热器后,一般总有Rcs+ Rsa<

汽车应用中的IGBT功率模块

汽车应用中的IGBT功率模块 诸如高环境温度、暴露于机械冲击以及特定的驱动循环等环境条件，要求对IGBTIGBT 功率模块功率模块的机械和电气特性给予特别的关注，以便在整个使用寿命期间能确保其性能得到充分发挥，并保持很高的可靠性。本文对IGBT的功率和热循环、材料选型以及电气特性等问题和故障模式进行了探讨。 各种工业应用中通常会使用多达十几种的绝缘栅双极晶体管（IGBT），设计IGBT模块的目的就是为了向某种专门的应用提供最优的性价比和适当的可靠性。图1为现有的IGBT功率模块的主要组成部分。 商用电动车（EV）和混合动力电动车（HEVHEV）的出现为IGBT模块创造了一个新的市场。EV和HEV中对IGBT功率模块的可靠性要求最高的部分是传动系传动系，IGBT位于逆变器中，为混合系统的电机提供能量。根据传动系的概念，逆变器可以放置在汽车尾箱、变速箱内或引擎盖下靠近内燃机的位置，因此IGBT模块要经受严峻的热和机械条件（振动和冲击）的考验。 为向汽车设计人员提供高可靠性的标准工业IGBT模块，IGBT设计人员必须特别小心地选择材料和设计电气特性，以得到相似甚至更好的结果。 热循环和热冲击试验 在热循环（TC）期间，待测器件（DUT）交替地暴露于被精确设定的最低和最高温度下，使其管壳的温差（ΔTC）达到80K到100K。DUT处于最低和最高温度的存储时间必须足以使其达到热平衡（即2到6分钟）。此项试验的重点是检测焊接处的疲劳特性。 通过更严格的试验，还可以研究其它部分（如模块的框架）所存在的弱点。热冲击试验（TST），也被称作二箱试验，是在经过扩展的ΔTC的条件下进行的，例如从-40-C到+150+C，其典型的存储时间为1小时。 图1：包括基板在内的IGBT模块构架示意图。 功率循环 在热循环/热冲击试验过程中，从外部加热DUT，而在功率循环（PC）期间，DUT被流经模块内部的负载电流主动地加热。因此，模块内部的温度梯度和不同材料层的温度都比热循环过程中高得多。 模块的冷却是通过主动关断负载电流以及使用外部散热措施来实现的。最典型的是使用水冷散热器，但空气冷却系统也较常用。试验装置能在加热阶段停止水流，待进入冷却阶段后再重新打开水流。通过功率循环，能对绑定线的连接以及焊接处的疲劳特性进行研究。 诸如高环境温度、暴露于机械冲击以及特定的驱动循环等环境条件，要求对IGBT功率模块的机械和电气特性给予特别的关注，以便在整个使用寿命期间能确保其性能得到充分发挥，并保持很高的可靠性。本文对IGBT的功率和热循环、材料选型以及电气特性等问题和故障模式进行了探讨。 各种工业应用中通常会使用多达十几种的绝缘栅双极晶体管（IGBT），设计IGBT模块的目的就是为了向某种专门的应用提供最优的性价比和适当的可靠性。图1为现有的IGBT功率模块的主要组成部分。 商用电动车（EV）和混合动力电动车（HEV）的出现为IGBT模块创造了一个新的市场。EV和HEV中对IGBT功率模块的可靠性要求最高的部分是传动系，IGBT位于逆变器中，为混合系统的电机提供能量。根据传动系的概念，逆变器可以放置在汽车尾箱、变速箱内或引擎盖下靠近内燃机的位置，因此IGBT模块要经受严峻的热和机械条件（振动和冲击）的考验。 为向汽车设计人员提供高可靠性的标准工业IGBT模块，IGBT设计人员必须特别小心地

电磁炉功率模块的设计及控制

南阳理工学院本科生毕业设计(论文) 学院（系）：电子与电气工程学院 专业：电气工程及其自动化 学生： 指导教师： 完成日期2012 年 5 月

南阳理工学院本科生毕业设计（论文） 电磁炉功率模块的设计及控制Design and Control of the Induction Cooker Power Module 总计：毕业设计（论文）26页 表格：0个 插图：25幅

南阳理工学院本科毕业设计（论文） 电磁炉功率模块的设计及控制 Design and Control of the Induction Cooker Power Module 学院（系）：电子与电气工程学院 专业：电气工程及其自动化 学生姓名： 学号： 指导教师（职称）： 评阅教师： 完成日期： 南阳理工学院 Nanyang Institute of Technology

电磁炉功率模块的设计及控制 电气工程及其自动化专业祝松涛 [摘要]本课题针对现有电磁炉功率小、稳定性差等缺陷，开展了基于半桥谐振电路电磁炉的关键技术研究。首先分析大功率电磁炉工作原理，确定了本课题采用电压型串联谐振电路形式，根据此电路形式设计了电路中各参数，包括IGBT的选型，谐振电感、电容的设计，并在此基础上设计了以单片机为控制核心的IGBT驱动电路和智能保护电路。另外，为了电磁炉能够并联扩容，研究了IGBT的均流问题。最后，设计了基于网络阻抗的动态负载模型并提出了电磁炉的自适应恒温控制方法，实现了电磁炉的精确功率控制。 [关键词] 感应加热；串联谐振；功率模块；电磁炉；动态负载 Design and Control of the Induction Cooker Power Module Electrical Engineering and Automation Specialty ZHU Song-tao Abstract: This paper in view of the existing electromagnetic oven power small, poor stability and other defects, based on half-bridge resonant circuit of electromagnetic oven key technology research. First analysis of large power electromagnetic oven working principle, determined that this issue is based on the voltage type series resonant circuit, this circuit was designed according to the circuit parameters, including IGBT selection, resonant inductor, capacitor design, and on this basis to design the IGBT drive circuit and intelligent protection circuit. In addition, in order to electromagnetic stove capable of parallel expansion, studied the IGBT flow problem. Finally, based on the design of the network impedance dynamic load model and proposed the electromagnetic furnace adaptive constant temperature control method, the electromagnetic oven precise power control. Key words:Induction cooker; power module; IGBT driver; induction heating; dynamic load

功率模块的烧结技术

功率模块的烧结技术 良好设计的封装 Christian G?bl ，赛米控新技术主管 诸如汽车诸如汽车、、风力发电风力发电、、太阳能发电和标准工业驱动器等的大功率应用要求功率模块满足高可靠性太阳能发电和标准工业驱动器等的大功率应用要求功率模块满足高可靠性、、耐热性以及电气坚固性等需求及电气坚固性等需求。。通过应用最先进的封装技术通过应用最先进的封装技术，，如无焊接的弹簧压接以及烧结技术如无焊接的弹簧压接以及烧结技术，，可以满足这些要求。在德国纽伦堡在德国纽伦堡，，赛米控新技术部的开发工程师正面临挑战赛米控新技术部的开发工程师正面临挑战，，开发开发、、优化和利用这种新封装技术优化和利用这种新封装技术。。 1994年以来，银烧结技术已被用于芯片和基板之间的连接。当时，许多国际会议都对银烧结键合层的性能和在可靠性方面的优势进行了分析和报告。然而，当时认为这种键合技术还不适用于大型工业电子产品。 这些烧结芯片/基板间连接完全由特殊的银粒子制成。这些银粒子在某种环境下，产生烧结架桥形态，在两个需键合组件之间形成一个可靠的连接。图1显示了烧结前后的银粒子。在这方面，有一点很重要，那就是要知道每个粒子是被特殊涂层材料所包围。产生键合很简单：只需在两个需键合组件之间，根据所需粘接层的厚度，放置一定数量的粒子并施加特定的温度和压力，经过一段特定时间后，就可以生产稳定的烧结连接。但是，这个基本过程只适用于最初的技术评估。 图1 . 烧结处理前烧结处理前（（左）和处理后和处理后（（右）的银扩散层 过去几年，一直在对烧结技术的工业化进行研究。已经开发出的独立烧结粘贴层，是如今赛米控所认可和实现的烧结粘贴层的基础。此外，已经开发生产出烧结工程工具来制造5“*7“的多 芯片DCB 。烧结压机被设计用来根据加工行为处理压力负荷。负责装配的生产工作人员训练有素，并且现场过程还在不断改善。 芯片与基板之间烧结层的接触强度非常高。在可靠性测试中，烧结层显示出高负载循环能力。烧结技术更进一步的优势是没有必须被清洗掉的焊接停止层。芯片相对于基板的定位精度达到50μm 。相比之下，采用焊接技术的定位精度只有400 μm ，这在后续的图像处理过程中会成为相当大的负担。 图2 . 烧结芯片与焊接芯片的功率循环能力对比

功率器件的散热计算及散热器选择

功率器件的散热计算及散热器选择 目前的电子产品主要采用贴片式封装器件，但大功率器件及一些功率模块仍然有不少用穿孔式封装，这主要是可方便地安装在散热器上，便于散热。进行大功率器件及功率模块的散热计算，其目的是在确定的散热条件下选择合适的散热器，以保证器件或模块安全、可靠地工作。 散热计算 任何器件在工作时都有一定的损耗，大部分的损耗变成热量。小功率器件损耗小，无需散热装置。而大功率器件损耗大，若不采取散热措施，则管芯的温度可达到或超过允许的结温，器件将受到损坏。因此必须加散热装置，最常用的就是将功率器件安装在散热器上，利用散热器将热量散到周围空间，必要时再加上散热风扇，以一定的风速加强冷却散热。 在某些大型设备的功率器件上还采用流动冷水冷却板，它有更好的散热效果。散热计算就是在一定的工作条件下，通过计算来确定合适的散热措施及散热器。功率器件安装在散热 器上。它的主要热流方向是由管芯传到器件的底部，经散热器将热量散到周围空间。若没 有风扇以一定风速冷却，这称为自然冷却或自然对流散热。 热量在传递过程有一定热阻。由器件管芯传到器件底部的热阻为R JC,器件底部与散热器 之间的热阻为RCS,散热器将热量散到周围空间的热阻为R SA总的热阻R JA="R" JC+RCS+R SA。若器件的最大功率损耗为PD,并已知器件允许的结温为TJ、环境温度为TA,可以按下 式求出允许的总热阻R JA。 R JA W (TJ -TA)/PD 则计算最大允许的散热器到环境温度的热阻R SA为 R SA W ({T_{J} -T_{A}}\over{P_{D}})-(R JC+R CS) 出于为设计留有余地的考虑，一般设TJ为125C。环境温度也要考虑较坏的情况，一般设 TA=40C 60 C。R JC的大小与管芯的尺寸封装结构有关，一般可以从器件的数据资料中找到。R CS 的大小与安装技术及器件的封装有关。如果器件采用导热油脂或导热垫后，再与散热器安装，其R CS典型值为0.1 0.2 C /W;若器件底面不绝缘，需要另外加云母片绝缘，则其R CS可达1C/Wo PD 为实际的最大损耗功率，可根据不同器件的工作条件计算而得。 这样，R SA可以计算出来，根据计算的R SA值可选合适的散热器了。 散热器简介

功率模块封装工艺

功率模块封装工艺 摘要：本文从封装角度评估功率电子系统集成的重要性。文中概述了多种功率模块的封装结构形式及主要研发内容。另外还讨论了模块封装技术的一些新进展以及在功率电子系统集成中的地位和作用。 1 引言 功率（电源或电力）半导体器件现有两大集成系列，其一是单片功率或高压集成电路，英文缩略语为PIC或HI VC，电流、电压分别小于10A、700V的智能功率器件/电路采用单片集成的产品日益增多，但受功率高压大电流器件结构及制作工艺的特殊性，弹片集成的功率/高压电路产品能够处理的功率尚不足够大，一般适用于数十瓦的电子电路的集成；另一类是将功率器件、控制电路、驱动电路、接口电路、保护电路等芯片封装一体化，内部引线键合互连形成部分或完整功能的功率模块或系统功率集成，其结构包括多芯片混合IC封装以及智能功率模块IPM、功率电子模块PEBb、集成功率电子模块等。功率模块以为电子、功率电子、封装等技术为基础，按照最优化电路拓扑与系统结构原则，形成可以组合和更换的标准单元，解决模块的封装结构、模块内部芯片及其与基板的互连方式、各类封装（导热、填充、绝缘）的选择、植被的工艺流程的国内许多问题，使系统中各种元器件之间互连所产生的不利寄生参数少到最小，功率点楼的热量更易于向外散发，其间更能耐受环境应力的冲击，具有更大的电流承载能力，产品的整体性能、可能性、功率密度得到提高，满足功率管理、电源管理、功率控制系统应用的需求。 2 功率模块封装结构 功率模块的封装外形各式各样，新的封装形式日新月异，一般按管芯或芯片的组装工艺及安装固定方法的不同，主要分为压接结构、焊接结构、直接敷铜DBC基板结构，所采用的封装形式多为平面型以及，存在难以将功率芯片、控制芯片等多个不同工艺芯片平面型安装在同一基板上的问题。为开发高性能的产品，以混合IC封装技术为基础的多芯片模块MCM封装成为目前主流发展趋势，即重视工艺技术研究，更关注产品类型开发，不仅可将几个各类芯片安装在同一基板上，而且采用埋置、有源基板、叠层、嵌入式封装，在三维空间内将多个不同工艺的芯片互连，构成完整功能的模块。 压接式结构延用平板型或螺栓型封装的管芯压接互连技术，点接触靠内外部施加压力实现，解决热疲劳稳定性问题，可制作大电流、高集成度的功率模块，但对管芯、压块、底板等零部件平整度要求很高，否则不仅将增大模块的接触热阻，而且会损伤芯片，严重时芯片会撕裂，结构复杂、成本高、比较笨重，多用于晶闸管功率模块。焊接结构采用引线键合技术为主导的互连工艺，包括焊料凸点互连、金属柱互连平行板方式、凹陷阵列互连、沉积金属膜互连等技术，解决寄生参数、散热、可靠性问题，目前已提出多种实用技术方案。例如，合理结构和电路设计二次组装已封装元器件构成模块；或者功率电路采用芯片，控制、驱动电路采用已封装器件，构成高性能模块；多芯片组件构成功率智能模块。DBC基板结构便于将微电子控制芯片与高压大电流执行芯片密封在同一模块之中，可缩短或减少内部引线，具备更好的热疲劳稳定性和很高的封装集成度，DBC通道、整体引脚技术的应用有助于MCM的封装，整体引脚无需额外进行引脚焊接，基板上有更大的有效面积、更高的载流能力，整体引脚可在基板的所有四边实现，成为MCM功率半导体器件封装的重要手段，并为模块智能化创造了工艺条件。

功率模块IPM选择参考

中小功率IPM 选择参考 应用的需求和技术的进步使得IPM （智能功率模块）近几年发展很快，更多的家用电器、工业设备使用了更节能、更有效率的电机控制方案，对于3KW 及以下功率级的电机控制应用，IPM 的选择是有一些考虑的。 我们将对如下公司的IPM 进行参考对比： Fairchild : FSBB20CH60B Mitsushiba : PS21964-S, PS22054 Sanken : SSM1003M, SCM1105MF, SCM1110MF 工作电压和额定电流 电网电压作为电机应用环境之一，IPM 的工作电 压是首选参数。虽然IPM 有一个IGBT 的击穿电压或极限工作电压的参数，但实际的工作电压比它们还要低些，这可以理解为电子元件工作参数的冗余。 IPM 工作电压（V ） 适应电网（V ） 额定电流 FSBB20CH60B 20A PS21964-S DC 400V AC 100V~250V PS22054 DC 800V AC 400V SSM1003M SCM1105MF SCM1110MF DC 400V AC 110V~250V 15A 极限工作频率 电机控制系统会以不同的电力载波频率运行，其选择将影响到系统EMC 特性，开关损耗以及环境音频噪声。在满足系统性能的前提下，选取较低的开关频率是有益的。极限工作频率展示了IPM 可以运行的载波频率范围。 饱和压降 这一参数将影响到系统的导通损耗。由于IGBT 的工艺不同，这一参数有一些差异。 IPM Max Saturation Voltage@(25°C & Ie ) FSBB20CH60B 2.0V PS21964-S 2.2V PS22054 3.4V SSM1003M 2.6V SCM1105MF 2.2V SCM1110MF 2.6V 控制电压 电机控制系统会使用不同的MCU 、DSP 、CPLD/FPGA ，而中 小功率的IPM 可以直接由控制IC 驱动，而不必使用光耦。因此要考虑IPM 的控制电压范围。可以看到，大多数IPM 都可以应用在3.3V 逻辑系统中。 IPM Min VIH Max VIL FSBB20CH60B 2.8V 0.8V PS21964-S 2.1V 1.3V PS22054 2.0V 0.8V SSM1003M 4.0V 1.0V SCM1105MF SCM1110MF 2.5V 0.8V 漏极结构与过流保护 越来越多的电机控制应用使用了磁场定向控制 （FOC ），FOC 需要测量电机的相电流。与隔离的霍尔电流传感器相比，采用Shunt 电阻来测量相电流将会更有成本优势。三相IGBT 桥的低侧IGBT 漏极分为两种引出方式，即三合一引出和三漏极分别引出。即使是三合一 的引出方式，使用单一的shunt 和先进的控制算法，也可以使用FOC ；过流保护也是通过漏极shunt 来监测IGBT 电流的，有的IPM 具有分别监测三相IGBT 电流的能力。 IPM 三漏极分别引出 分别监测三相电流 FSBB20CH60B Yes no PS21964-S yes no PS22054 yes no SSM1003M no no SCM1105MF yes yes SCM1110MF yes yes dead time IPM 容许的最小dead time 由IPM 内部的IGBT 及其驱动电路决定。系统运行时较小的dead time 是有利的。 IPM dead time FSBB20CH60B 2.0μs PS21964-S 1.5μs PS22054 3.3μs SSM1003M 2.5μs SCM1105MF 1.5μs SCM1110MF 2.0μs IPM 极限工作频率（HZ ） FSBB20CH60B 20K PS21964-S 20K PS22054 15K SSM1003M 18K SCM1105MF 10K SCM1110MF 20K 自举二极管 出于成本考虑，IPM 的三相IGBT 桥的高侧IGBT 通常采 用自举浮充电方式来为其提供驱动电压，内置的自举二极管和限流电阻将使系统更为紧凑、可靠。 IPM 内置的自举二极管 内置的限流电阻 FSBB20CH60B yes no PS21964-S no no PS22054 no no SSM1003M no no

IPM功率模块分析

引言 IPM智能功率模块是先进的混合集成功率器件，由高速、低功耗的IGBT芯片和优化的门极驱动以及保护电路构成。由于采用了能连续监测功率器件电流的、有电流传感功能的IGBT芯片，从而可实现高效的过流保护和短路保护。由于IPM智能功率模块集成了过热和欠压锁定保护电路，因而系统的可靠性得到了进一步提高。 IPM智能功率模块的性能特点 IPM智能功率模块的优点 使用智能功率模块可以使生产厂家降低在设计、开发和制造上的成本。与普通的IGBT 相比，在系统性能和可靠性上有进一步的提高。由于IPM集成了驱动和保护电路，使得用户的产品设计变得相对容易，并能缩短开发周期；由于IPM通态损耗和开关损耗都比较低，使得散热器减小，因而系统尺寸也减小；所有的IPM均采用同样的标准化与逻辑电平控制电路相联的栅极控制接口，在产品系列扩充时无需另行设计电路。IPM 在故障情况下的自保护能力，也减少了器件在开发和使用中过载情况下的损坏机会。 IPM智能功率模块安全工作区 IPM内置的栅极驱动电路和保护电路可以对许多违反IGBT模块安全工作区（SOA）的运行模式加以保护，智能功率模块的开关安全工作区和短路安全工作区定义概述如下： 开关安全工作区 开关（关断）安全工作区通常定义为在重复关断运行时的最大允许瞬时电压和电流。对于IPM，内置栅极驱动取消了因不正确的栅极驱动而造成的许多电压和电流的危险组合，此外，最大工作电流受过流保护电路的限制。根据这些限制条件，开关安全工作区可用图1中的波形来定义，只要主电路直流母线电压低于数据手册中的Vcc(port)指标，每个IPM功率单元的C-E间关断瞬时电压低于VCES指标，Tj小于125℃，控制电源电压在13.5V和16.5V之间，IPM将会安全工作。波形中的IOC是IPM的过流故障不会动作的最大允许电流。换句话说，它正好处在OC动作数值以下。该波形定义了硬关断操作的最坏情况，当电流高于OC动作数值时，IPM将关断该电流。 短路安全工作区 图2是一个典型的短路运行波形。标准测试条件用最小阻抗短路来产生流过该器件的最大短路电流。在测试中，短路电流（ICS）只受器件特性的限制，只要主电路直流母线电压低于Vcc(port)规定值，每个IPM功率单元的C-E间所有瞬时电压低于VCES指