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MiniSKiiP半桥模块和大功率PCB板—— 一种具成本效益的90kW逆变器的新方案

2013-06-07 11:38:23 来源:《电力电子技术》网站 浏览:6057

                   MiniSKiiP半桥模块和大功率PCB板 
                —— 一种具成本效益的90kW逆变器的新方案

         MiniSKiiP half bridge modules and high power PCBs
   – a new approach for cost effective inverters up to 90 kW

    全球范围内的所有驱动器和变频器中使用了超过2千万个MiniSKiiP模块。特别是欧洲逆变器制造商在30-40kW的低功率应用中使用这些模块。这些应用中有四分之三是用于泵、机械手臂、印刷机或压缩机的标准驱动器。预计这个数字今年将进一步增加至3千万个MiniSKiiP模块。除了已经建立起来的欧洲市场,MiniSKiiP系列产品也在亚洲市场获得进展。该产品也可从其他两个供应商处获得,确保满足客户对更高的供应可靠性需求。MiniSKiiP的主要特点是用料少且组装简单,具有成本效益。MiniSKiiP的组装的确非常简单:使用单个螺丝就能将模块与散热器和驱动板相连,建立电气和热连接,模块的额定电流高达150A。通过使用弹簧技术,淘汰了费时且昂贵的焊接工艺,并且使得模块易于更换成为可能 - 如果有必要的话。这种具有成本效益的模块概念、单步安装,与全面的产品组合相结合,使得MiniSKiiP成为40kW逆变器的工业标准。
    此外,在40kW-90kW的功率范围内,各大变频器厂商预计平均市场价格每年下降3%左右。为了保持竞争力,驱动器和逆变器制造商需要通过提高生产效率和降低材料成本来优化他们的产品。目前,40kW-90kW逆变器模块的解决方案主要以带铜底板的模块为主,采用用螺丝紧固的母排连接。通过削减昂贵的母线、降低模块成本、使用快速简便的单螺丝组装,MiniSKiiP所蕴含的概念对于40kW-90kW范围内的功率模块、母排连接和装配也是一个很好的减少模块成本的方式。
    为了满足市场一直以来降低成本的要求,并且让MiniSKiiP的优点也可以用在更高的功率范围内,MiniSKiiP产品平台拓展了新产品——MiniSKiiP半桥模块。新的MiniSKiiP Dual允许客户在650V、1200V 和1700V电压等级之下使用行之有效的、易于用1或2个螺丝安装的90kW模块。新的MiniSKiiP Dual采用了针对三相逆变器的优化模块设计和PCB板连接概念,尤其针对紧凑型逆变器解决方案.与现有的模块解决方案相比,它显著地降低了整体系统成本。
    为了让带有PCB功率连接器的模块解决方案适用于更高的额定功率,必须进行一些设计方面的考虑。MiniSKiiP功率被限制为约40kW的原因并不是无基板的模块不能用于大功率。像SKiM和SKiiP这些无基板解决方案都已被用于驱动、风能、UPS和汽车等兆瓦级的应用中。在这些模块中,智能内部芯片布局提供了最佳的热扩散,与带基板的模块相比,所需要的热界面材料厚度可以减少约50%。压接技术结合增强的热耗散使得运行温度低且提高了可靠性。然而,所有这些解决方案均使用用螺丝固定的母线端子来连接电源,而单螺丝安装要求使用PCB接触作为电源的连接器。使用MiniSKiiP时,通过PCB板传输辅助和电源信号。尤其是当大电流通过PCB板时,板子的运行温度将升高。然而,为了可靠性和安全运行,PCB板的运行温度不应超过70〜80°C。由于标准印刷电路板中所使用金属层的宽度和厚度,最大电流被限制在约150A额定模块电流。为了将MiniSKiiP拓展到80-90kW,需要将额定电流提高到300A,对应1200V时电流有限值应达到180A左右。
    此外,还需要解决功率模块内部的功率密度和散热的问题,因为MiniSKiiP已经是一个高度集成的模块:三相逆变器的拓扑结构、整流器输入电桥和制动斩波器和驱动器IC可集成在一个壳体中。一方面,高集成度可带来体积小且具有成本效益的逆变器设计。另一方面,热损耗需要进行管理,并且功率必须进一步提高,模块内产生的热量需要优化的热管理。
    对于MiniSKiiP Dual,有三个重要的主要设计目标。首先,使用现有MiniSKiiP模块平台的模块尺寸。与弹簧触点概念相结合,这样做可确保MiniSKiiP Dual与现有的MiniSKiiP型号具有最好的兼容性。其次,为了减少芯片和模块的运行温度,调整热管理以适应更大的功率。第三,最大可用电流的增加通过PCB进行传输。

模块设计
    MiniSKiiP Dual的基本概念是使用三个MiniSKiiP模块进行并联,每相一个模块。为了三相应用,功率端子是对齐的:AC端子在DC连接的对面,如图1示出。

 图1:MiniSKiiP Dual的示例布局。各相的MiniSKiiP外壳并排,AC端子在DC端子的对面。

    功率端子对齐的优势,包括便于MiniSKiiP Dual模块并联以及直流端子的低电感连接,允许IGBT具有更高的开关速度以及更低的尖峰电压所导致的较高直流母线电压。这些特点都是设计高效且体积小的逆变器所需要的。此外,将三相分离成为不同的模块改善了热扩散且增强了整体的热耗散。散热片上由模块热损耗所加热的区域彼此之间是分离的。散热片上的热量积聚和热量集中得以避免,即使运行在大电流和高功率密度下,也可以降低模块的温度。
    下一个设计步骤是调整弹簧触点以适应更大的电流。标准MiniSKiiP模块有额定电流为150A的六单元结构和额定电流为100A的CIB(转换器、逆变器、制动器)结构。对于AC、DC-和DC+的功率端子,使用多达8个弹簧来并联。每个弹簧能够承载20A的电流有限值,这样每个功率端子最大可承载160A。MiniSKiiP Dual用于大电流时,每个功率端子最多有16个弹簧端子。这确保了最大输出电流有效值约为320A,针对170~180的有效电流预留了足够的余量,即使过载运行也可以保证安全。

热管理
    热管理是功率模块设计中最重要的因素之一。芯片的最高温度为175°C,150°C的连续运行温度需要将热有效地传递到散热片。热量从从芯片传递到散热片受几个因素的影响,主要是所用材料的热传导能力,以及散热的总面积。在诸如MiniSKiiP这样无基板模块中,热路径需要热量流经芯片、焊料、DCB基板、导热涂层和散热片。与有基板相比,热路径中的界面总数和所用材料减少了,因为没有了基板。因此,热流变得更加高效。另一方面,去除了底板也有一个缺点。在大多数的模块设计中,基板不仅用于在模块和散热片之间建立机械接触,也可以作为一个散热片。IGBT和二极管芯片中所产生的热量在铜基板内水平扩散,从而增大了模块和散热片之间的热传递总面积。反过来,芯片到散热片的总热阻降低了。设计无基板模块时如果对热扩散无相应的对策,与有基本的方案相比,热阻会增大。因此,无基板模块的设计遵循不同的设计规则。对于MiniSKiiP Dual模块,大功率模块的设计要求垂手可得,更大的功率需要模块内部几个功率半导体芯片并联。比如,在额定电流为300A的标准有基板模块中,两个150A IGBT和两个150A 续流二极管并联为上下管进行开关 – 如图2a中所示的原理草图。

图2:a)300A带基板模块的芯片和DCB布局原理图。两个150A IGBT和二极管是平行的,用于上下管开关。b)MiniSKiiP Dual芯片布局,显示出四个75A IGBT和三个二极管是平行的。c)300A/1200V MiniSKiiP Dual模块的热分布。经过有限元分析的热模拟(Al2O3基板、Tambient: 25°C、对流:1800Wm-2K、IGBT和二极管的功率损耗:1 Wmm-2,导热涂层厚度50μm)

    对于MiniiSKiiP Dual,通过增加芯片数量同时保持整体的额定电流不变来对设计进行了优化:每个开关的4个75A IGBT和3个二极管是平行的,图2b)。原则上,有基板提供的热扩散现在转移到了模块中,由芯片和DCB基板布局自身来解决。每个功率装置中所产生的热量分布在较大面积上,从而增加了热量流至散热片的总面积,克服了因无基板所失去的基板热扩散能力。
    此外,由于没有底板,DCB基板可以更均匀地压到散热片上。使用MiniSKiiP的压力系统概念,中央螺丝的压应力通过一些压力点被转移至DCB基板,确保了模块和散热片之间的紧密接触。由于DCB基板到散热片压应力比带基板的解决方案更均匀,因此导热涂层的厚度可减少高达50%。由于导热涂层是热路径所涉及的所有材料中热阻最大的,导热涂层厚度的减少是无基板方案的显著优点,因为整个组件的热阻显著降低了。结合优化的内部芯片布局和更薄的导热涂层厚度,MiniSKiiP Dual散热和热传播能力显著增强,有限元计算如图2.c所示)。为了分析目前设计的限制,IGBT和续流二极管芯片的热损耗受相同热损耗控制。这对于驱动器应用来说,是一个有点人为的运行条件,但随着热量在所有芯片中同时产生,这代表热量最高的条件。在有限元计算中,IGBT和续流二极管的损耗可能会增加至1 Wmm-2,直到最热器件的结温接近150°C,这是目前这一代芯片所建议的最高运行温度。正如预期的那样,模块中心区域的芯片上出现了最高温度。216W的IGBT和45W的续流二极管总功率损耗可以有效地通过MiniSKiiP Dual的多芯片布局耗散掉,这与具有相等额定电流的传统半桥带基板模块的处于同一范围内。

用大功率PCB板替代母线
    到目前为止,将印刷电路板用作电源和控制端子来代替铜母线是有限的,这是因为受到印刷电路板最大电流能力的限制。标准MiniSKiiP PCB板使用75μm-105 μm厚的铜层,这对于40kW来说足够了。将带弹簧连接MiniSKiiP用于90kW需要用无焊接的PCB连接代替用螺丝固定的母线。在1200V模块中,高达150A-180A的连续有效电流将由PCB板进行传输,这使得有必要优化PCB设计和电源走线。第一步,印刷电路板内的铜层要增厚一倍以上,增加至210 μm,以减少电源走线的电阻率,并减少印刷电路板内部所产生的热量。第二步,PCB走线宽度要增加,进一步减少电阻。走线宽度更宽的一个额外优点是电源轨产生热量通过对流空气进行冷却的面积更大。对MiniSKiiP模块所进行热测量表明,采用厚度达210μm的铜走线或者铜型材[1]的多层PCB,实现高达170A的最大连续负载电流是可能的。用红外照相机现场测量PCB温度显示了PCB温度控制的过程,如图3中所示。

图3:用红外相机测量的PCB温度,大功率PCB的顶视图。AC和DC-端子之间的 I =170A(DC)。

    该设置是一个安装300A/1200V MiniSKiiP Dual上的双层大功率PCB板,铜层厚度为210μm。MiniSKiiP Dual安装在水冷散热片上。为了模拟逆变器运行的条件,在整个测试中散热片的温度被设定为83°C。为了研究布线宽度和PCB布局对PCB板运行温度的影响,对AC和DC端子采用了不同的布线路径。对于AC端子,布线宽度为7cm,而上面的DC-端子的布线宽度明显窄一些。从AC到DC-端子施加了170A的连续直流电流。温度测量结果显示PCB的平均温度约为70°C。然而,在靠近AC和DC-连接处,由于电流密度更高,可以看到温度更高的区域。尤其是在DC-端子,温度高于90°C,而AC端子处的PCB板的温度为70°C -80°C,这显示了布局和走线宽度对PCB运行温度的影响。AC端子处更宽的布线会减小布线的电阻,带来更低的运行温度。这些分析和考虑被用来定义布线宽度和PCB布局的基本设计规则。技术文档中将会列出这些设计规,遵循这些规则,即使在连续电流高达170 A的情况下,也可以实现低的PCB板运行温度,从而在90kW的逆变器中维持MiniSKiiP Dual安全可靠地运行。总而言之,大功率的印刷电路板可用于高电流密度下,市售的印刷电路板可被用于高达170A的连续电流。这允许用印刷电路板代替铜母线,使得MiniSKiiP有机会用在更大功率范围内。

输出功率
    上述模块布局和热管理的设计考虑和实验结果被用作热损耗计算的输入,以说明MiniSKiiP Dual的可用输出功率。
    图4示显示了采用300A/1200V MiniSKiiP Dual模块的三相逆变器的输出电流。

图4输出电流Iout是开关频率fsw的函数。直流母线电压=750V,输出电压=400V。输出频率50Hz,功率因数= 0.85。环境温度40°C,强制空气冷却。

    对于最新一代的的IGBT和续流二极管,150°C的结温是连续运行的最高温度。图4中的输出电流适用于IGBT和续流二极管的最大计算结温为150°C,根据芯片,表示给定的应用条件下的最高温度。在4kHz的开关频率下,可实现180A RMS的输出电流。这相当于750V 直流母线下,输出功率超过100kW。在8kHz的开关频率下,可实现125A的输出电流(输出功率74kW)。即使在12kHz下, 输出电流为90A,使用50kW以上的输出功率是有可能的。MiniSKiiP Dual涉及热管理的考虑和设计特点正将MiniSKiiP Dual的输出功率推往接近有基板模块设计的功率范围,高达90KW,并为过载留下足够的空间。

结论
    MiniSKiiP电力电子技术领域享有盛誉。这些模块以其优异的功率密度和快速且易于装配而受到高度重视。事实上,为了连接MiniSKiiP模块、PCB板和散热片,只需一个螺丝。所有到PCB板的电源、栅极和辅助连接都使用压接而不是焊接的方式。得益于弹簧触点系统 - 这是该系统超越竞争对手IGBT模块的的独特卖点 - 电触点拥有更长的使用寿命和更高的可靠性,整个系统的抗振能力也得到提高。
    MiniSKiiP平台的新成员大功率MiniSKiiP Dual,现可在更高的40-90kW功率范围内提供MiniSKiiP所具有的全部设计设计理念和减少成本,该功率范围迄今为止还不曾实现,过去主要以使用带基板的模块为主。 将有用于650V、1200V和1700V应用的全面产品组合可提供,涵盖范围广泛的不同应用 - 见表1。
    
                       表1: MiniSKiiP Dual组合

    MiniSKiiP Dual芯片标称电流从150A至300A,采用了结合赛米控CAL二极管的沟道IGBT技术。MiniSKiiP Dual的外壳体尺寸相当于标准MiniSKiiP 2和3外壳尺寸,这一特点具有一定优势,现有使用MiniSKiiP的逆变器原理设计可被迁移到更大的功率,从而节省成本和开发时间。
    为了使MiniSKiiP能用于更大的功率,需要实施几个设计特点。对于三相逆变器,3个MiniSKiiP半桥模块并联,每相一个。AC和DC连接器相对放置,带来紧凑且低电感的逆变器布局。由于三相分别在不同的模块中,热扩散更好,为有效的热管理提供了更多的空间。DCB基板上的芯片布局是为无基板模块而设计,4个IGBT和3个续流二极管平行放置。这样获得了更好的热扩散,结合更薄的导热涂层,使得MiniSKiiP Dual在1200V配置下可处理高达180A的输出电流。在用大功率PCB板代替固体铜母线时应当特别小心。通过使用铜层达210μm的印刷电路板,增加的走线宽度和优化的印刷电路板布局,可使用170A的相电流,印刷电路板的运行温度保持在70°C〜80°C。将多达16个用于AC和DC连接的弹簧平行放置,是对已获证明的MiniSKiiP弹簧技术的扩展。这允许即使高电流密度情况下,也可以通过弹簧触点获得高可靠性且易于安装。
    总之,MiniSKiiP Dual为新的、具有成本效益的40-90kW逆变器设计打开了一扇门,解决逆变器制造商所面临的成本压力。主要特点是用大功率印刷电路板代替了铜母线。减少昂贵的母线,减少模块的成本并且使用快速和简单的单螺丝装配,与基于带基板和螺丝连接的标准模块的逆变器相比,MiniSKiiP模块可减少20%以上的逆变器系统成本。MiniSKiiP Dual是现有MiniSKiiP平台的理想扩展。连同MiniSKiiP标准拓扑、三电平MiniSKiiP MLI和集成了一个驱动器的MiniIPM,MiniSKiiPs涵盖4-90kW的功率范围和大量不同的应用。

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