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IGBT-IPM模块小型化技术说明


来源: | 时间:2015年10月07日

IPM有很多应用场合,如通用变频器、空调、伺服驱动设备等。近年来在上述领域,减小体积、降低设备成本是一个重要的发展趋势。为减小设备体积,最有效的方法就是减小散热片。然而驱动设备中功率电子器件的功率密度被提高到了一定极限,因此采取常用技术所能达到的设备最小化也到了一个极限。目前在驱动设备的电路部分,除散热器以外,体积最大的就是功率模块,而且其发热也是最大的。正因如此,功率模块的不垂花议及减少其发热就比以往任何时刻都重要。小型化的Econo-IPM和标准封装的模块相比,Econo-IPM底板面积减少30%,高度降低23%,整个体积更是减少46%。为了达到这一目标,Econo-IPM采用了以下技术。
(1)专用的驱动集成电路
       通过开发专用的驱动集成电路,除了少数几个电阻和电容外,大部分IGBT驱动电路都被集成在集成电路里,这减少了电子器件的数目。通过采用两层结构(即将焊贴有集成电路的PCB放在功率芯片的上边)和使用片状主端子减少了模块底板面积和厚度。由于功率器件部分能量密度高,为了减缓该处的热集中,又为600V和1200V模块分别开发了性能得到改进的IGBT芯片和带软恢复特性的二极管。这种二极管可以控制其阳极注入效应,而且具有软恢复特性。Econo-IPM的封装以及管脚配置等方面都和Econo系列模块兼容,因此只要经过简单的加工工艺就可以设计出结构紧凑的电能转换系统。使用Econo-IPM可以设计出低损耗、高可靠和小体积的能量转换设备。
(2)Econo-IPM封装技术www.henlito.com
       标准R-IPM的外形尺寸是109mm×88mm×22mm,它采用侧面安装法。近几年,部分设备厂商试图将伺服驱动设备的宽度减少到60mm。因标准的R-IPM的宽度为88mm而不能采用背部安装方式,所以为了采用背部安装方式,IPM宽度应该限制在60mm以内。在封装内使用常规金属框架很难制造出紧凑的封装,为解决该问题,需要在内部采用新的配线结构。而新研制的Econo-IPM可以满足下面尺寸要求:
       1)封装宽度55mm,在60mm以内,故可以直接采用背部安装法,
       2)封装高度17mm,低于标准的R-IPM,因此也可以在采用侧面安装方式的功率设备中使用。
       为了实现如此紧凑的结构,Econo-IPIVI采用新的结构和弓1线结合技术。引线结合技术将常规的主端子金属框架结构改成全Al引线,从而改良了封装内的内部布线。新的结构就是分两层,PCB层作为第2层。新结构和方法的采用使得Econo-IPM宽度和厚度减少成为可能。Econo-IPM和Econo-Diode-Module(Econo续流二极管模块,EDM)具有相同高度,因为EDM就是针对Econo-IPM开发的,所以Econo-IPM和Econo-DIM可以焊接在同一块PCB上。因此它们能够减少功率设备的体积。
(3)可靠性技术
        1)功率损耗减少。因为散热面积减少,封装内产生的热高度集中,因此减少模块芯片损耗必不可少。如果芯片损耗减小,则由于芯片温度降低,IPM的生命周期将有所延长。而且,小的损耗可以提高逆变设备的效率,使散热片尺寸减小,从而降低设备成本。器件的生命周期取决于芯片上最大的温差,由于功率芯片损耗的降低,提高了Econo-IPM的高抗能量周期性冲击能力,Econo-IPM的生命周期可以从次提高到次。
        Econo-IPM采用了新研制的非导通型IGBT芯片和阳极结构改良过的续流二极管芯片。与R-IPM中使用的导通型IGBT芯片相比,非导通型IGBT芯片减少了关断损耗。由于采用非导通技术和优化驱动集成电路,非导通型IGBT功率损耗比导通型IGBT减少了12%。
       2)辐射噪声减少。功率设备对辐射噪声的要求越来越严格,然而为降低开关损耗而减少开关时间,dv/dt随之增加,通常dv/dt的增加又会导致辐射噪声增加。所以,新开发的功率器件芯片在减少功率损耗的同时不能增加dv/dt或辐射噪声。
       因常规的技术在抑制辐射噪声时存在一极限点,因此在Econo-IPM上使用了新的驱动技术,并研制了新的续流二极管。新二极管的反向恢复dv/dt减小,而且即使开通变得更快,dv/dt也没有增加,因此Econo-IPM可以显著减少开通损耗。软恢复特性在减少辐射噪声上也很有效。因此,二极管的软恢复特性和改良的驱动电路显著地减少了辐射噪声。利用这些新技术,和R-IPM相比,Econo-IPM能减低能量损耗和辐射噪声。
       3)抗能量周期性冲击能力。抗能量周期性冲击的能力是功率器件可靠性很重要的一个方面,使用Econo-IPM的伺服驱动器在极短的时间内周而复始的加减速、,由于封装内高能量密度必然会使模块温度升高。而IGBT芯片的结温也会在极短时间内上升、下降,由此产生的热应力会损坏铝线触头以及芯片的焊点。因此IPM需要改进其抗能量周期性冲击能力,为满足该要求,已经研制出新的焊接技术和新的Al线连接方法。
       为改进器件的抗能量周期性冲击能力,就需要改良芯片管脚焊接的机械强度。因为锡焊的屈服强度很大,并且能够抑制细小裂纹扩张,因此芯片选用具备良好机械性能的Ag-Sn焊剂。又因为锡焊抗湿性不好,因此焊剂还需要添加其他元素并优化装配工艺。通过改良线焊接技术,Al线结合处的结合面积率得到提高,因此Al线焊接处机械强度大大增加。

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