新型结构的IGBT功率模块为UPS应用降低EMI并节约成本

在UPS电源的设计中，IGBT模块已经得到越来越广泛的应用。但是现在国内大多数不间断电源（UPS）厂家使用的功率IGBT模块，仍然是日系比较老的产品。模块体积大，内部芯片导通损耗和开关损耗也比较大，成本比较高；而且由于现有IGBT模块继承了以前大功率晶闸管的结构特点，仍然采用螺栓式的连接方法。造成的问题一是寄生电感大，EMI问题严重；二是由于必须通过铜排进行连接，成本高。

世强代理的Vincotech新型结构的IGBT功率模块：flowPHASE 0（如图1所示）能较好的解决上述问题。它是基于Power flow的设计理念进行设计，寄生电感小，而且非常方便布线；另外在结构设计上继续采用Clip in技术，使得电路板，功率模块和散热器的连接更加简单可靠。flowPHASE 0家族的模块是半桥结构，有600伏和1200伏两个电压等级，最大电流可以达到200安培。现有产品可以覆盖10 KVA以下UPS的应用。

图1、flowPHASE 0 IGBT模块示意图

图2、Clip in 拓扑示意图

结构布局

对于模块本身的设计，结构的紧凑性很重要，但是更重要的是如何合理的布局模块的管脚。如图3所示为模块在全桥逆变应用中的示意图。Vincotech 的flowPHASE 0模块在结构布局上具有以下特点：

● 模块内部电流流距短；

● 模块内部强弱电隔离分布；

● 在模块内部芯片布局时，综合考虑了外部PCB布线的简易性；

● 模块符合UL认证标准。

这些特点使得模块在实际应用时具有以下优点：

● 功率线短，方便布线且寄生电感小；

● 只要两层电路板就可以满足要求；

● 输入，输出功率线没有交叉，电磁兼容性好；

● 门极驱动管脚靠近驱动电路，驱动特性好；

● 使得变频器紧凑结构设计成为可能。

图3、全桥逆变使用示意图

寄生电感

在高频应用场合中，寄生电感是造成IGBT关断过电压，关断损耗增加的罪魁祸首。因为在关断IGBT时，由于电流突变，会在寄生电感上感应出一个电压。这个电压叠加在直流母线电压上造成关断电压尖峰，具体原理如下式所示：

VCE(peak)=VCE+L*di/dt

其中寄生电感L是直流母线上电流流过IGBT所包围的面积的等效电感，如下图4所示。

图4、寄生电感示意图

图5、flowPHASE 0模块应用布局示意图

所以对于变频器设计者来说，如何有效降低回路中的寄生电感就显得非常重要。flowPHASE 0模块由于按照Power flow的设计理念进行设计，模块内部寄生电感小。另外它的结构特点使得用户可以在PCB正反两面叠加布置直流母线，这样可以大大降低直流母线电压正负端的距离，从而减小回路面积，降低模块外部寄生电感。另外，辅助滤波电容的使用进一步补偿了模块外部寄生电感对电路特性的影响。由于flowPHASE 0是半桥模块，所以客户可以针对电路特点对每个半桥模块分别进行电容补偿，具体见下图2所示。

热特性

考虑到模块应用上的高功率密度，模块内部使用了直接铜熔结（DCB - DirectCopper Bonding) 陶瓷基板。对于通用型模块，flowPHASE 0使用了三氧化二铝（Al2O3）陶瓷基板，对于高性能产品，使用了氮化铝（AlN）陶瓷基板，它的导热性能要比Al2O3好五倍以上。为了降低整个IGBT模块的功率损耗，模块内部使用了最新的低损耗型沟槽栅场终止芯片。另外由于flowPHASE 0是半桥结构模块，通过分散放置，可以有效降低中心热点的温度，改善模块的热特性，最大化的利用散热器，具体如下图6所示：

图6、全桥，半桥模块散热热点温度示意图

安装

IGBT模块结构上最脆弱的地方在管脚上，为了有效防止在焊接过程，安装过程以及实际使用时，模块管脚上承受过大的拉力或者震动力，flowPHASE 0模块在结构上采用了Clip in技术，完美的实现了模块，电路板和散热器的有效固定，具体如7所示：

图7、Clip in 原理