前言

使三個或多個單獨用一系列650VIGBT芯片串聯封裝的功率模塊構成三電平電路拓撲來替代傳統的1200V兩電平模塊，可以達到高的耐壓要求，而且這些個相同的模塊進行電氣連接時使功率器件分開安裝，優化熱管理，不僅提高轉換效率，系統可靠性，同時還降低成本。

三電平模塊封裝特點

對于多個芯片集成封裝到一個模塊中，其結構和芯片設計有一定的復雜程度，如下圖為SilverMicro最新封裝模塊650V/300ANPC電路拓撲

圖1    650V/300A三電平NPC電路拓撲的模塊內部芯片布局和工藝

模塊內部封裝了四組IGBT芯片和四組FWD芯片，可以緊湊的達到右圖電路的結構。

如圖所示，DC+，DC-兩端為DC電壓的正負極，N為中點。整個電路被中點分成了對稱的兩個部分。其工作過程如下，在正半周期內VT3常開，VT1、VT4交替導通，VT1導通時電流通過VT1流經VT3直至負載端，輸出電壓值為DC+，VT4導通時，鉗位二極管導通，電流通過VT4流經VD2直至地端，輸出電壓為零。在負半周期內，VT4一直導通，VT2和VT3輪流導通，輸出的電壓為零和DC-。整個過程中輸出的電壓對應為DC+、零和DC-三種，所以稱其為三電平電路拓撲。

通過以上對三電平電路拓撲工作過程的描述，我們可以知道，在三電平電路拓撲中，每個IGBT承受的關斷電壓為總線電壓的50%，這樣在相同總線電壓的情況下，對于IGBT的耐壓就減少了一半，不僅降低成本更提高了輸出容量。

IGBT芯片使用溝槽行技術，具有低的導通電壓，關斷快速，低拖尾電流等特點，同時IGBT芯片的結溫可達到175℃，提高了系統的設計要求，同時要求二極管的結溫同樣可以達到175℃。

與國外封裝的比較

圖2    與國外模塊內部封裝工藝比較

上圖是SME三電平650V/300ANPC封裝與國外封裝的比較，為了提高模塊應用可靠性和系統設計要求，目前大部分封裝采用電極焊料焊接工藝，功率電極與DBC之間的連接使用焊料進行焊接，長期使用時，模塊在高低溫循環條件下會產生焊接疲勞，使電極焊接部分產生裂紋最終導致脫落失效。SME三電平模塊去除電極引線使用焊料焊接工藝而采用超聲焊接技術，并且使用可靠性較高的Al-Ni超聲焊接技術，工藝路徑簡單，提高模塊的溫度循環能力。信號引線利用合理的芯片布局設計和工藝來實現了直接鍵合引線到電極上，與使用飛線焊接連接比較，大大提高了可靠性的同時也降低了門極寄生參數，在高頻系統中使用優化其驅動信號的特性。

靜態輸出特性

最新Trench技術的650V芯片具有低導通電壓特性，如圖3在VGE=15V,Ic=300A額定電流，Tj=125℃條件下IGBT芯片的VCE(on)=1.6V,二極管的正向導通電壓為VF=1.5V，與兩電平模塊相比，相同電流下，模塊的損耗較小，系統的溫度變化小，很大程度上提高系統的效率和可靠性設計。

圖3    GTR300TL65T2SIGBT和FWD正向輸出特性

靜態導通特性決定器件在開通狀態下損耗，根據Pon=VCE(on)×Ic得出VCE(on)越小，損耗越小，導通電壓值為系統過流保護提供設計標準。

開關特性

大部分650V的芯片特性與600V芯片相同，在開關過程中具有高的di/dt,dv/dt，而大部分高效率電源系統，設計者都希望器件關斷速度越快，拖尾電流越小，這無疑給系統設計增加難度.GTR300TL65S芯片在開關特性上進行優化。圖三是利用雙脈沖電路測試模塊開通特性波形。

圖4：GTR300TL65T2S開通特性                          圖5：國外模塊開通特性

Vcc=300V,Ic=300A,Rg=10?,Tj=125℃               Vcc=300V,Ic=300A,Rg=10?,Tj=125℃

紅色：電壓VCE;藍色：電流Ic                             紅色：電壓VCE;藍色：電流Ic

從開通特性表現，反并聯二極管的選擇對開通特性影響較大，二極管恢復速度越快帶來的di/dt越高，所產生的電壓震蕩就會很大，如上圖所示,GT300TL65T2S在開通狀態下二極管的恢復封裝電流較小，電流恢復特性較軟，帶來的開通狀態下波形震蕩較小。

對于耐壓為600V,650V器件通常應用在電源系統中，要求其關斷特性越快，而快電流關斷時間帶來高的di/dt，由于存在寄生電感，根據可以得出，di/dt越高，系統的反向關斷電壓越高，器件就越危險，所有降低系統的電感和合理設計吸收電路成為設計的工作重點與難點。

模塊在封裝技術上同樣要求降低模塊內部寄生電感，合理的芯片布局，使得芯片引線越電極之間電流路徑越短越緊湊設計較好，如下圖為三電平模塊的典型開關特性。

圖6：GTR300TL65T2S關斷特性                        圖7：國外模塊開通特性

            Vcc=300V,Ic=300A,Rg=10?,Tj=125℃         Vcc=300V,Ic=300A,Rg=10?,Tj=125℃

            紅色：電壓VCE;藍色：電流Ic                           紅色：電壓VCE;藍色：電流Ic

上圖為GTR300TL65T2S在相同條件與國外模塊關斷特性對比，從波形來看650V的芯片大部分廠家電流關斷速度非常快，拖尾電流基本接近零，基本上是目前市場上廠家芯片技術的共同點，高頻系統中芯片關斷特性越快，可以降低死區時間的設置，從而提高逆變器輸出的線性。

芯片布局熱模擬計算

數值計算技術的發展為半導體產品的開發提供了便利，大大縮短了其設計周期。利用有限元分析軟件計算了T2S模塊的溫度場，驗證了模塊多芯片布局的合理性。

首先，根據模塊結構，進行一定的簡化，根據模塊的對稱性，取其一半建立1/2模型，由于硅膠導熱系數很小，在計算時未建模，并將硅膠覆蓋的表面作為絕熱邊界條件。模塊的3D模型及網格網格如圖（8）所示

圖8    T2S模塊模型與網格劃分

然后根據模塊的工作負荷確定有限元分析的載荷與邊界條件，將芯片的發熱作為內熱源處理，銅底板為定溫邊界條件，溫度為25℃。計算得到的溫度云圖如圖（9）

圖9    模塊溫度分布

從模塊溫度分布云圖可以看出，IGBT與二極管的溫度高于四周，最高結溫點位于IGBT芯片中心，為84.6℃。由于模塊空間有限，雖然芯片與芯片之間存在不可避免的熱耦合，但合理芯片布局使的整體來看模塊熱設計滿足工作要求。

結論

使用多個650V芯片集成到一個封裝模塊里的三電平NPC電路拓撲結構，在UPS，PV等高頻電源系統中應用，與兩電平模塊相比較降低器件開關損耗，優化了濾波效果，提高輸出電流質量。利用較為優化芯片布局，低電感設計，電極超聲焊接等封裝技術來提高器件可靠性，給系統設計提供了具有很高優勢的接近方案。