功率半导体在具有通用架构的低压驱动器中如何使用？

本文探讨了功率半导体在具有通用架构的低压驱动器中的使用。
前端也称为线路侧转换器，将交流电压转换为直流电压并将其提供给直流母线。根据工作方案，二极管、晶闸管甚至IGBT可用于此应用。通常可以使用日立ABB电网半导体的60Pak二极管和晶闸管模块等产品，因为它们具有行业标准外壳，损耗非常低，工作温度最高。这使得这些器件能够在负载循环下提供最高的性能、高热利用率、更高的过载能力以及更多优势。

图 2：60Pak 双极模块
60Pak产品系列采用压力结构，其中组件由主发条压到底板（冷却器）上，而不是焊接连接。这种结构产生了更好的性能，特别是在设备的使用寿命内提高了可靠性。双弹簧夹紧系统有助于实现令人印象深刻的 IOL（间歇使用寿命）性能、更长的使用寿命和增强的抗温度变化能力。双弹簧系统由顶部的主方形弹簧和一对辅助弹簧组成。这种独特的设置可在著名的曲棍球外壳中实现接近理想的效率。
在下图中，您可以看到两个弹簧系统与陶瓷+金属和塑料绝缘体测力计相比的力分布。

图3.a） 双弹簧结构， b） 陶瓷 + 金属测力器 ， c） 仅塑料测力器
这些模块通过了如下所示的可靠性测试。

结果表明，这种模块设计方法使日立ABB电网、中高压设备的性能和可靠性降低到更低的电压。
对于将直流母线连接到电机的有源前端或机器侧转换器，LoPak 模块是一个受欢迎的选择。这些 LoPak 模块现在可用于 1200 V 电压等级系统，并带有预涂的 tiM（热界面材料），有助于提高驱动器使用寿命内的可靠性。

图4.标准力分布与双弹簧力分布的比较
即使在较低的电压下，工程师不仅希望创建新的逆变器设计，而且还希望能够升级其现有设计，以使用相同的模块封装处理更高的功率。这样可以缩短上市时间，减少生产线中断，并可能降低单位成本。
基于其用于3.3 kV以上电压的高性能、高可靠性设备的经验，日立ABB电网通过推出一系列1200 V功率模块来扩展其产品组合，以补充现有的1700 V系列，从使用升级的LoPak模块封装的1200 V，900 A x 2模块开始。

图5.1200 V， 900 A X 2 LoPak 模块

图6.带 TIM 的模块底板
这些新模块的“核心”是下一代超低损耗、坚固耐用的沟槽IGBT威廉希尔官方网站 ，用于制造硅开关和优化二极管。IGBT器件具有具有新颖端接的激进精细栅极间距单元和日立ABB电网开发的无退化威廉希尔官方网站 。这允许该器件使用优化的操作点切换更高的电流密度，具有替代电源（风能和光伏）和工业（电机驱动器）应用的理想特性。
使用现有的LoPak模块设计，利用IGBT模块的最大工作结温175°C，而典型的150°C，可实现额外的瞬态过流能力。 新的1200 V产品配置为900 A相臂（半桥）IGBT模块，提供出色的安全工作区（SOA）和过热能力。在同类产品中，LoPak 的独特优势在于强大的电气性能和高可靠性方面的专业知识。
精心设计和虚拟原型设计确保LoPak模块的电流分布在开关过程中保持良好平衡，并在过载条件下得到良好控制。进行了进一步的分析，以了解LoPak封装中的1200 V、900 A x 2产品较高的总电流对材料和寄生效应的影响。现有的LoPak1外壳已经包括使用铜（Cu）基板，用于控制端子的压接连接器，以及在底板上预涂热界面材料（TIM）以提高模块的导热性（Rth）的选项。
该分析导致重新设计DBC基板上的Cu图案，将芯片放置在最佳位置，以最大程度地减少温度相互作用，杂散电感，电容和封装电阻，并优化IGBT/二极管对之间的均流。

图7.铜和铝的性质
LoPak 材料的其他优化包括将 DBC/DBC 和 DBC/电源端子的键合线材料更改为 Cu，以利用 Cu 材料的特性来支持非常高的电流水平。电线数量有所增加，现在使用涂层铜电源端子来支持增加的额定功率（图 7 和图 8）。除了这些变化之外，LoPak 模块的形式和功能与以前相同。
新的1200 V系列LoPak模块产品具有与日立ABB电网整个高功率半导体系列相同的高可靠性和鲁棒性DNA。