IGBT功率模塊的性能參數(shù)與應(yīng)用詳解
作者：微葉科技 時(shí)間：2015-08-17 17:27
評(píng)價(jià)功率模塊各參數(shù)的重要性總是和其所應(yīng)用的領(lǐng)域密切相關(guān)，例如在牽引機(jī)車的應(yīng)用中，其可靠性最為重要；而在家用消費(fèi)品應(yīng)用中，其低成本則是決定性的因素。分析功率模塊的可應(yīng)用性的判據(jù)有模塊復(fù)雜度、散熱能力、絕緣電壓及漏電穩(wěn)定性、內(nèi)部連接承受溫度或負(fù)載循環(huán)的能力、低電感的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、靜態(tài)和動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性、低電磁干擾的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、模塊發(fā)生損壞時(shí)確定且不危險(xiǎn)的行為、簡(jiǎn)單的安裝和連接技術(shù)、以及無污染的制造過程及可回收性。
1．復(fù)雜度
最佳的復(fù)雜度不能用一個(gè)普遍適用的概念來定義，因復(fù)雜的模塊可以降低系統(tǒng)的成本，還可以使在組合各個(gè)部件時(shí)可能產(chǎn)生的問題（寄生電感、干擾、接線錯(cuò)誤）減到最少。隨著模塊復(fù)雜度的增加，其通用性則會(huì)降低（產(chǎn)量降低），且單只模塊的測(cè)試數(shù)量和成本也隨之增加。隨著模塊內(nèi)部元器件和接線數(shù)量的增加，其損壞的概率也變大，發(fā)生故障時(shí)所需的修理也更復(fù)雜。對(duì)模塊的驅(qū)動(dòng)、測(cè)量和保護(hù)裝置而言，也要求具有更高的散熱能力和抗電磁干擾的能力。
目前，在驅(qū)動(dòng)電路的集成方面還未形成各方所接受的“世界標(biāo)準(zhǔn)”。由于驅(qū)動(dòng)功能經(jīng)常地被集成到模塊中，功率模塊的通用性越來越受到限制，模塊正在逐步成為子系統(tǒng)。
圖1所示為應(yīng)用廣泛的含有IGBT和二極管的功率模塊電路，圖1a為單開關(guān)模塊，由IGBT和反向二極管混合組成，若外電路為橋式電路，則反向二極管工作在續(xù)流模式下；圖1b為兩單元（半橋）模塊，由兩個(gè)IGBT和兩個(gè)混合的反向二極管組成（續(xù)流二極管）；圖1c為H 橋（單相橋）模塊，由兩個(gè)含IGBT和續(xù)流二極管的橋臂組成；圖1d為不對(duì)稱H 橋模塊，在一條對(duì)角線上有兩個(gè)IGBT以及混合反向二極管，而在另一條對(duì)角線上有兩個(gè)續(xù)流二極管；圖1e為三相橋（六單元或逆變橋）模塊，由三個(gè)含IGBT和續(xù)流二極管的橋臂組成；圖1f為斬波模塊，由 IGBT和反向二極管加集電極端的續(xù)流二極管組一一成；圖1g為斬波模塊，由 IGBT和反向二極管加發(fā)射極端的續(xù)流二極管組成；甲 1h為三相橋GD加斬波GAL（制動(dòng)斬波電路）模塊；圖1i為三單元模塊，由三組開關(guān)組成；圖1j為單開關(guān)加集電極端串聯(lián)二極管（反向阻斷開關(guān)）模塊；圖1k為單開關(guān)加發(fā)射極端串聯(lián)二極管（反向阻斷開關(guān)）模塊；圖11為兩單元模塊，帶串聯(lián)二極管（反向阻斷開關(guān)）。
圖1 IGBT和續(xù)流二極管的功率模塊單元圖
2．散熱能力 功率半導(dǎo)體器件的熱阻與功耗的關(guān)系如式(1)，式(2）所示。
Rja=(Tj -Ta)/P=Rje+Rca=Rjc+Rcs+Rsa (1)
P =0. 785 VTMIAV +0. 215 VT0IAV (2)
式中，Rja為模塊芯片與環(huán)境之間的熱阻；Rjc為模塊的結(jié)殼熱阻；Rca為模塊外殼與環(huán)境之間的熱阻；Rcs為模塊外殼與散熱器之間的接觸熱阻；Rsa為散熱器的熱阻；Tj為模塊芯片的溫度； Ta為模塊的使用環(huán)境溫度；P為器件的通態(tài)耗散功率；VTM為器件的通泰峰值壓降；IAV為器件的額定通態(tài)平均電流；VT0為器件的門檻電壓。
由于模塊采用絕緣的陶瓷片和單面散熱結(jié)構(gòu)，增加了熱阻，導(dǎo)致在同等芯片尺寸和同等散熱條件下，模塊的電流容量降低了，因此對(duì)模塊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和材料選取有特殊的要求。為了盡可能地充分利用芯片的理論電流承載能力，芯片所產(chǎn)生的功率損耗需要通過連接部分和絕緣層直接并安全地被引導(dǎo)至散熱表面。芯片在導(dǎo)通與截止?fàn)顟B(tài)下以及在開關(guān)過程中會(huì)產(chǎn)生損耗Ptot。其散熱能力可以用降落在芯片與散熱器之間的溫度差來描述：
△Tjh=Tj-Th
式中，Tj為芯片溫度；rh為散熱器溫度。
這個(gè)溫差與損耗的商即為靜態(tài)熱阻Rthjh，在過渡過程中應(yīng)使用熱阻抗Zthjh。模塊內(nèi)部的下列各單元對(duì)Rthjh和Zthjh數(shù)值有影響：
1)芯片（表面、厚度、幾何形狀和放置）；
2)DCB基片的構(gòu)造（材料、厚度、基片上表面的結(jié)構(gòu)）；
3)芯片與基片之間連接的材料和質(zhì)量（焊接、粘貼）；
4)底板的存在與否（材料、形狀）；
5)基片底面與底板之間的焊接（材料、質(zhì)量）；
6)模塊的安裝（表面狀況、與散熱片表面的熱連接、導(dǎo)熱脂或?qū)崮さ暮穸扰c質(zhì)量）；
7)在復(fù)雜的功率模塊中還有芯片之間的發(fā)熱交互影響（熱耦合）。
對(duì)于具有底板的模塊來說，從底板至散熱片的外部熱阻以及熱阻抗的符號(hào)為Rthch以及Zthch，而從芯片至底板的內(nèi)部熱阻以及熱阻抗的符號(hào)為Rthjc和Zthjc。
Rthch=Rthjc+Rthch
Zthjc=Zthjc+Zthch
采用目前廣泛應(yīng)用的Al203作為DCB基片和銅底板的模塊，熱阻的最大一部分是模塊的內(nèi)部絕緣（如果采用薄膜或其他外部絕緣方式，其熱阻還會(huì)再增加20% ~50%）。標(biāo)準(zhǔn)的Al203(熱導(dǎo)λ=24W/m·K) DCB基片的純度為96%。但若采用高純度(99%)的Al203或AIN(λ=150W/m．K)則可使熱阻得到進(jìn)一步的改善。所以，特別是在高絕緣電壓的模塊（絕緣陶瓷因而比較厚）中，AIN目前已受到了廣泛的歡迎。
一個(gè)外突預(yù)彎的接觸面積提高了散熱片和模塊之間的熱接觸，對(duì)帶有基板的模塊外突的熱接觸面積是必需的，模塊基板與散熱片之間要有一定的機(jī)械壓力。帶有直接按壓DCB的模塊是采用封裝把散熱面積壓到散熱片上的，把半導(dǎo)體芯片焊到DCB 襯底上后，襯底有—點(diǎn)輕微的內(nèi)凹。當(dāng)模塊焊到PCB上和被外殼按壓下時(shí)，襯底中央的引腳將承受拉力。這個(gè)拉力將減小DCB 襯底中心和散熱片之間的壓力。
盡管底板由高導(dǎo)熱材料(CV:λ=393W/m． K)組成，但由于其厚度(2.5~4.5mm)的關(guān)系使它的熱阻仍然占據(jù)了模塊熱阻的較大部分。采用較薄的底板只能夠有限地降低這一比重，原因在于厚的底板具有擴(kuò)張溫度場(chǎng)的效應(yīng)，從而使芯片下層的熱穿透面積增加。在不含底板的模塊中，由于底板以及底面焊接的熱阻不再存在，因而能夠補(bǔ)償這種熱擴(kuò)張效應(yīng)的降低。如果采用將大面積的DCB壓接在散熱器上的封裝技術(shù)，則芯片與基片之間的連接可以更緊密。含有底板的模塊在焊接時(shí)不可避免地會(huì)產(chǎn)生變形，因?yàn)榈装逯荒軌蛟谒闹芡ㄟ^螺釘來固定到散熱器上，模塊與散熱器的表面并不完全接觸。
同樣不可以忽略的是芯片和基片以及基片和底板（如果存在的話）之間的接觸熱阻，該界面多通過焊接而形成。在不采用底板的情況下，這一部分的熱阻可以減少約50%。
基片的金屬表面在熱阻中所占的比例主要由上表面銅層的結(jié)構(gòu)決定，該結(jié)構(gòu)被用來放置芯片并實(shí)現(xiàn)模塊內(nèi)部的電氣連接。由于基片底部銅層在垂直方向上的散熱基本不受任何阻礙，所以熱量的傳導(dǎo)以及擴(kuò)張效應(yīng)實(shí)際受到芯片下面銅層幾何形狀的限制。硅芯片在總熱阻中所占的比例隨著芯片的厚度增加而增加，而芯片的厚度又是由其正向截止電壓以及制造技術(shù)所決定的，芯片的面積決定了芯片與底板或散熱器之間的傳熱面積。
3．絕緣電壓與漏電穩(wěn)定性 隨著IGBT模塊進(jìn)入高電壓應(yīng)用領(lǐng)域，有關(guān)對(duì)高絕緣電壓和高漏電穩(wěn)定性的要求也相應(yīng)增加。絕緣和漏電穩(wěn)定性取決于芯片底部絕緣的厚度、材料、均勻度，以及外殼的材料。在某些情況下也取決于芯片的布置。目前，IGBT模塊具有2.5~ 9kV（有效值）的絕緣測(cè)試電壓。
4．負(fù)載循環(huán)能力 當(dāng)開關(guān)頻率小于3kHz時(shí)，特別是間歇運(yùn)行時(shí)，例如，電梯或脈沖負(fù)載，負(fù)載的變化會(huì)導(dǎo)致模塊內(nèi)部連接部位的溫度變化。模塊的內(nèi)部連接是指：
1)鍵接；
2)芯片底部的焊接；
3)陶瓷基片和金屬底板之間的焊接；
4)屬與陶瓷基片間的熔接（金屬銅生長(zhǎng)于A1203或AIN 之上）。
在加工和運(yùn)行時(shí)，這些材料在長(zhǎng)度方向上的膨脹系數(shù)是不同的，會(huì)因受熱而產(chǎn)生變形程度的不一致，最終導(dǎo)致材料的疲勞和磨損。芯片的壽命（可能的開關(guān)次數(shù)）隨著芯片溫度變化幅度的增加而降低。由功率模塊的結(jié)構(gòu)可知，陶瓷基片和銅底板之間的焊接最為重要，因此有必要采用高質(zhì)量的焊料和焊接方法，以避免陶瓷基片在溫度大幅度變化時(shí)的變形和損壞。此外，采用多塊陶瓷基片，用以減小單塊基片的面積也是常用的辦法，這個(gè)方法可以盡可能地減小溫度膨脹的絕對(duì)數(shù)值。
5．功率模塊內(nèi)部的寄生電感 以圖2所示的一個(gè)半橋模塊為例，由于芯片之間的連接以及芯片對(duì)模塊端子的連接（鍵接線和內(nèi)部連線）必不可少，所以產(chǎn)生寄生電感。圖2中的電感LσG為柵極寄生電感；LσC為上開關(guān)集電極寄生電感；LσEC為上開關(guān)發(fā)射極與下開關(guān)集電極之間的寄生電感；LσE為下開關(guān)發(fā)射極寄生電感； LCE為上開關(guān)集電極與下開關(guān)發(fā)射極之間的總寄生電感。
圖2 兩單元IGBT模塊的寄生電感
由于這些電感會(huì)在關(guān)斷時(shí)感應(yīng)過電壓，在開通時(shí)延緩電流上升速度di/dt，以及在控制和功率電路之間引起電感式耦合，如果模塊內(nèi)部的芯片是并聯(lián)的，則寄生電感會(huì)引起芯片的動(dòng)態(tài)不均衡以及芯片之間的震蕩。減小模塊內(nèi)部的寄生電感可直接提高功率模塊的性能。
6．功率模塊絕緣基板 由于功率模塊的電流和電壓上升時(shí)間極短，多為ns級(jí)，所以會(huì)產(chǎn)生頻率為MHz級(jí)的電磁干擾。干擾電壓的幅度主要受模塊內(nèi)部的寄生組件和電磁干擾在模塊內(nèi)及接口處的傳播途徑的影響。通過選擇合適的絕緣材料、減小耦合面積或者應(yīng)用導(dǎo)電屏蔽可以降低非對(duì)稱干擾。
選擇合適的內(nèi)部連線結(jié)構(gòu)，避免由于外部電磁場(chǎng)或者變壓器式耦合對(duì)控制線的干擾而引起的誤動(dòng)作。電磁干擾在另一方面的體現(xiàn)是對(duì)地電流，對(duì)地電流源于絕緣基片的電容CE，由IGBT在開關(guān)時(shí)所產(chǎn)生的dvCE/dt引起，并通過接地的散熱器流入保護(hù)地端子。
圖3所示為IGBT不同絕緣基片單位面積的電容值，基于材料不同的電介質(zhì)常數(shù)以及不同的標(biāo)準(zhǔn)厚度，其電容值CE也不同，并決定了在最大允許的最高開關(guān)速度。標(biāo)準(zhǔn)厚度是由導(dǎo)熱能力所決定的，例如，AIN基片值最大為630μm，IMS采用環(huán)氧樹脂絕緣時(shí)為120μm，采用聚酰亞胺為25μm。
圖3 不同絕緣基片單位面積的電容值
7.機(jī)械振動(dòng) 為了避免由振動(dòng)波形在功率模塊和散熱片上傳播而引起的引腳應(yīng)力，功率模塊和散熱片之間確定的機(jī)械連接是十分必要的。模塊和散熱片之間的熱接觸及功率模塊的機(jī)械設(shè)計(jì)和組裝過程對(duì)這些敏感的過程有明顯的影響。只有在模塊的機(jī)械外形和外部固定物之間的誤差很小時(shí)，才能避免因振動(dòng)引起的引腳能力。
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