【论文】集成电平转换IC的新型压注模封装整流•逆变&#8226

 【论文】集成电平转换IC的新型压注模封装整流•逆变•制动一体化智能模块（DIPIPM+）

上海合美电子科技有限公司

集成电平转换IC的新型压注模封装整流·逆变·制动一体化智能模块（DIPIPM+）

Marco Honsberg, Mitsubishi Electric EuropeB.V., Germany

Teruaki Nagahara, Mitsubishi Electric PowerDevice Works, Japan

EricR. Motto, POWEREX Inc. USA

摘    要

        本文介绍了一款新型的结构紧凑智能化CIB模块(DIPIPM+)及其内置IGBT、二极管和HVIC的主要设计特点。该模块采用了压注模封装技术，并采用了与铜框架的机械膨胀系数高度匹配的灌注树脂。内部绑定线的优化使得模块更紧凑，并使其体积在具有三相整流桥和制动斩波电路结构下，也只比现有的标准的DIPIPM略大一点。同时，本文也展示了DIPIPM+的开关特性及EMI相关结果，并与DIPIPM的结果进行了比较分析。对于DIPIPM+模块的测试评价板也会在文中介绍。

1、概述

以压注模技术封装的DIPIPM+主要由三个功能模块来构建成紧凑独立三相400V/480V供电的逆变器。整流、逆变和制动部分同时集成了低压IC（LVIC）和高压IC（HVIC）以及周围的自举电路来实现驱动和保护IGBT。因此，封装中包含了6组IGBT和Diode（续流二极管）构成的逆变输出和由6个二极管组成的整流桥，以及大部分电流等级的模块中会选用的消耗电机再生制动过程中回馈到直流母线上能量的制动斩波回路。HVIC的供电可以通过内置的1200V自举二极管来实现，从而可以使整个系统仅需要一路15V电源。

图1  DIPIPM+图片

2、内部结构及功能框图

图2  DIPIPM+的内部框图

用于驱动的HVIC和LVIC以裸片形式放置在引线框架上，除了基本的驱动功能外，它们还有许多保护功能，比如欠压保护（UV）和短路保护（SC），以及与壳温相关联的精确的线性模拟输出信号（VOT）。与普通的NTC方案相比，这个基于二极管的参考输出电压VOT信号在宽温范围内具有更高精确，而且在壳温85摄氏度左右进行了优化。除了过温保护外，DIPIPM+还有非常重要的短路保护功能，该功能通过检测连接在开路外部发射极处旁路电阻的压降来实现的。旁路电阻值的设定应当使短路电流在1.7倍额定电流下触发短路保护，以防止IGBT损坏并且在允许短路能量之下安全地关断IGBT。另外，建议外部检测短路延迟小于2us。为了实现这一功能，内部的比较器会采用一个具有很小误差的参考电压值0.48V±0.025V，当检测到CIN引脚的电压值超过此阈值时便会关断IGBT。

3、紧凑化的设计改善

为了提高模块的紧凑性，我们对于模块的内部结构进行了改善，并且采用了新的方法来连接控制IC和IGBT。在以往的DIPIPM中，IC和IGBT不是直接连结，是通过引线框架上的结构进行间接连结，IC和中转结构之间是用金线连结，而中转结构和IGBT之间是用铝线连结。图3a和3b说明了消除占有空间的中转结构的示意图。

图3a和3b  有/无中转结构时的绑定走线

新开发的“直连线技术”可以使模块更紧凑，封装更小。与目前最高端的1200V DIPIPM相比，其尺寸减小了35%，并使得邦定线采用用单一的金线成为了可能。

4、优化的引脚排布使PCB走线更简洁

上面所描述的内部结构和技术改进能够保证制造出具有长铝线和金线邦定的压注模封装的模块，并且能够使得DIPIPM+突出一个引脚。从而，可以使PCB的走线更加容易。同时，内置的BSD使得控制部分和功率部分明显分开，并使得整个逆变器的设计更加优化和紧凑。图4展示了DIPIPM+的引脚分布：

图4  DIPIPM+的引脚分布

即使是用双层PCB，优化设计的DIPIPM+的引脚会使功率端子和直流母线电容之间走线的感抗很小。另外，双列直插式结构使得控制端子和功率端子分离，即控制端子在一边，功率侧在另一边。

5、第7代硅片及开关损耗

对于智能功率模块（IPM）而言，由于内部的驱动级是给定，所以对应的开关特性和通态损耗的折衷关系也是固定的。因此，对于生产厂家来说，生产一款既可以满足多数应用，又能够使与开关速度息息相关的开关损耗和EMI影响达到合适折衷关系的模块是非常必要的。

对于实际应用来说，一个简单的降低IGBT开关损耗的方式就是提高开关速度，但这会导致EMI效果变差；然而，开关速度过慢又会使整体损耗过高。实际上，驱动参数的设定需要根据IGBT和二极管的特性来设定。采用的第7代CSTBT^TM硅片改善了开关速度的可控性，di/dt和dv/dt特性，以及损耗。另外，二极管的反向恢复快但回复特性软。

在DIPIPM+中，新的二极管和IGBT硅片配合使用，取得了与之前一代的硅片相比，在损耗和EMI的折衷关系上的极大的改善。图5和图6分别给出了额定电流下，采用第7代CSTBT^TM硅片的DIPIPM+的开关波形。

图5  DIPIPM+的开通和关断波形（Tj=125℃，25A）

图中绿色曲线是电压，蓝色曲线是电流。从中可以看出，在开关过程中没有任何振荡，而且拖尾电流很平缓地下降且时间很短。相应地，由拖尾电流引起的开关损耗就会变得相对较小，从而减小DIPIPM+的整体动态损耗。开关特性和它所包括的频谱与EMI相关，图5所给出的平缓的波形使得DIPIPM+的EMI特性值得期待。

6、新一代硅片的EMI效果

如上所述的开关行为应当会有相对较低的EMI噪声。我们在相同条件下对比了第4代DIPIPM和DIPIPM+的EMI曲线，测试频率从30MHz到100MHz。结果如图6所示，DIPIPM+的EMI噪声更小。

图6  DIPIPM+与第4代DIPIPM的辐射噪声对比

7、评价板

应用使得DIPIPM+工作所需的基本元件开发了此评价板，以用于直观认识采用DIPIPM+开发逆变器的简便性。其中还包括很多测试点以测量信号，且所有的信号都是以负母线为参考地且非隔离的。同时，评价板还集成了吸收电容，供电电源以及冲击电流限制器（可以通过继电器旁路）。所有的功率部分都可以免焊连接，而控制信号都通过满足工业标准JST XH 的16脚端子连接。图7给出了评价板的图片。

图7  DIPIPM+的评价板—DIPIPM+的位置如图中红色区域

DIPIPM+安装在PCB的背面。这样可以尝试不同结构的散热器，因为背面只有DIPIPM+一个元件。在PCB的丝印上标注了多个重要信号，并于原理图上的名称对应。因此，此评价板有助于评估驱动信号、自举电路的工作和开关特性的认识。

8、结论

采用压注模封装技术的新型整流·逆变·制动（CIB）一体化模块（DIPIPM+），内置了集成自举二极管的电平转换HVIC和具有完整的短路保护、过温保护和欠压保护的LVIC。DIPIPM+集成度高，封装紧凑及引脚分布合理且PCB布线方便。因此，它是一个简单易用的器件。内部硅片的搭配优化了损耗和EMI的折衷关系，这样可以在整体上节省那些花在EMC/EMI滤波器和散热器上的成本。

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转自： 三菱电机半导体