在UPS電源的設(shè)計(jì)中，IGBT模塊已經(jīng)得到越來越廣泛的應(yīng)用。但是現(xiàn)在國(guó)內(nèi)大多數(shù)不間斷電源（UPS）廠家使用的功率IGBT模塊，仍然是日系比較老的產(chǎn)品。模塊體積大，內(nèi)部芯片導(dǎo)通損耗和開關(guān)損耗也比較大，成本比較高；而且由于現(xiàn)有IGBT模塊繼承了以前大功率晶閘管的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，仍然采用螺栓式的連接方法。造成的問題一是寄生電感大，EMI問題嚴(yán)重；二是由于必須通過銅排進(jìn)行連接，成本高。

世強(qiáng)代理的Vincotech新型結(jié)構(gòu)的IGBT功率模塊：flowPHASE 0（如圖1所示）能較好的解決上述問題。它是基于Power flow的設(shè)計(jì)理念進(jìn)行設(shè)計(jì)，寄生電感小，而且非常方便布線；另外在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上繼續(xù)采用Clip in技術(shù)，使得電路板，功率模塊和散熱器的連接更加簡(jiǎn)單可靠。flowPHASE 0家族的模塊是半橋結(jié)構(gòu)，有600伏和1200伏兩個(gè)電壓等級(jí)，最大電流可以達(dá)到200安培。現(xiàn)有產(chǎn)品可以覆蓋10 KVA以下UPS的應(yīng)用。

圖1、flowPHASE 0 IGBT模塊示意圖

圖2、Clip in 拓?fù)涫疽鈭D

結(jié)構(gòu)布局

對(duì)于模塊本身的設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)的緊湊性很重要，但是更重要的是如何合理的布局模塊的管腳。如圖3所示為模塊在全橋逆變應(yīng)用中的示意圖。Vincotech 的flowPHASE 0模塊在結(jié)構(gòu)布局上具有以下特點(diǎn)：

● 模塊內(nèi)部電流流距短；

● 模塊內(nèi)部強(qiáng)弱電隔離分布；

● 在模塊內(nèi)部芯片布局時(shí)，綜合考慮了外部PCB布線的簡(jiǎn)易性；

● 模塊符合UL認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)。

這些特點(diǎn)使得模塊在實(shí)際應(yīng)用時(shí)具有以下優(yōu)點(diǎn)：

● 功率線短，方便布線且寄生電感??；

● 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，電磁兼容性好；

● 門極驅(qū)動(dòng)管腳靠近驅(qū)動(dòng)電路，驅(qū)動(dòng)特性好；

● 使得變頻器緊湊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成為可能。

圖3、全橋逆變使用示意圖

寄生電感

在高頻應(yīng)用場(chǎng)合中，寄生電感是造成IGBT關(guān)斷過電壓，關(guān)斷損耗增加的罪魁禍?zhǔn)住Ｒ驗(yàn)樵陉P(guān)斷IGBT時(shí)，由于電流突變，會(huì)在寄生電感上感應(yīng)出一個(gè)電壓。這個(gè)電壓疊加在直流母線電壓上造成關(guān)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4所示。

圖4、寄生電感示意圖

圖5、flowPHASE 0模塊應(yīng)用布局示意圖

所以對(duì)于變頻器設(shè)計(jì)者來說，如何有效降低回路中的寄生電感就顯得非常重要。flowPHASE 0模塊由于按照Power flow的設(shè)計(jì)理念進(jìn)行設(shè)計(jì)，模塊內(nèi)部寄生電感小。另外它的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)使得用戶可以在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(fù)端的距離，從而減小回路面積，降低模塊外部寄生電感。另外，輔助濾波電容的使用進(jìn)一步補(bǔ)償了模塊外部寄生電感對(duì)電路特性的影響。由于flowPHASE 0是半橋模塊，所以客戶可以針對(duì)電路特點(diǎn)對(duì)每個(gè)半橋模塊分別進(jìn)行電容補(bǔ)償，具體見下圖2所示。

熱特性

考慮到模塊應(yīng)用上的高功率密度，模塊內(nèi)部使用了直接銅熔結(jié)（DCB - DirectCopper Bonding) 陶瓷基板。對(duì)于通用型模塊，flowPHASE 0使用了三氧化二鋁（Al2O3）陶瓷基板，對(duì)于高性能產(chǎn)品，使用了氮化鋁（AlN）陶瓷基板，它的導(dǎo)熱性能要比Al2O3好五倍以上。為了降低整個(gè)IGBT模塊的功率損耗，模塊內(nèi)部使用了最新的低損耗型溝槽柵場(chǎng)終止芯片。另外由于flowPHASE 0是半橋結(jié)構(gòu)模塊，通過分散放置，可以有效降低中心熱點(diǎn)的溫度，改善模塊的熱特性，最大化的利用散熱器，具體如下圖6所示：

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圖6、全橋，半橋模塊散熱熱點(diǎn)溫度示意圖

安裝

IGBT模塊結(jié)構(gòu)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(shí)際使用時(shí)，模塊管腳上承受過大的拉力或者震動(dòng)力，flowPHASE 0模塊在結(jié)構(gòu)上采用了Clip in技術(shù)，完美的實(shí)現(xiàn)了模塊，電路板和散熱器的有效固定，具體如7所示：

圖7、Clip in 原理