第六代双极功率模块如何推动工业应用的性能升级?-电子发烧友网

双极模块在工业工频应用中仍然是一种稳健且具有成本效益的解决方案。尽管此类电路的基本操作方式没有变化，但功率模块的封装技术却在不断进步。自1975年SEMIPACK隔离底板整流模块问世以来，它已发展成为一个覆盖多种电流和拓扑的大型产品系列，成为50/60Hz整流器和交流控制器的标准，并广泛应用于电机驱动、不间断电源(UPS)系统及过程控制等市场。

SEMIPACK产品系列(图1)目前涵盖了六种不同外壳，内置二极管和/或晶闸管，其额定电流从60A(SEMIPACK 1)到超过1300A(SEMIPACK 6)不等。

图1

这些模块被配置为非控整流(二极管/二极管)、半控整流(晶闸管/二极管)和全控整流(晶闸管/晶闸管)。晶闸管/晶闸管模块还可以轻松配置为用于交流控制的反并联连接。这些模块的结构在整个系列中有所不同。低功率模块采用线焊和焊接连接，而大功率模块则采用类似于胶囊器件的压力结构。

六种外壳尺寸中的每一种都经历了各自的修订。最初的型号SEMIPACK 1已经过五代改进，以保持其市场领先地位。目前，第六代SEMIPACK 1.6已推出，覆盖了全系列电流额定值。这一改进为所有双极应用带来了更高的性能和电流能力。

模块结构

SEMIPACK 1模块采用了成熟的引线框架、芯片-基板和底板结构。这些20mm宽模块中使用的铜底板不仅提高了热扩散性能，还为不同类型的散热器提供了坚固的安装表面。在第六代SEMIPACK 1中，内部结构得到了优化。这些改进提高了热性能并减少了材料使用量，大幅提升了成本/性能比。

图2

首先，双极半导体芯片下方的材料堆叠被大幅简化(图2，顶部)。这显著降低了从芯片到底板的热阻(Rth(j-c))。与上一代相比，SEMIPACK 1.6实现了器件稳态热阻下降46%(图2，底部)。

其次，SEMIPACK 1.6的底板尺寸有所减小。这不仅节约了宝贵的铜资源，使模块的总重量从95克减至75克(减少18%)，而且在之前的SEMIPACK模块中，底板需要通过螺丝孔提供安装压力以固定模块到散热器上，这要求底板有复杂的弯曲设计以在安装后确保与散热器的均匀接触。在SEMIPACK 1.6的“混合”设计中，底板被增强塑料外壳包裹，并提供安装压力。这种改进大大简化了底板几何设计，从而显著增加了芯片下方散热器的有效接触面积。底板与散热器之间改进的金属-金属接触面积还意味着需要的热界面材料更少。与上一代相比，SEMIPACK 1.6的外壳到散热器的整体热阻Rth(c-s)减少了35%(图3)，典型值为0.09K/W。

图3

应用性能

第六代SEMIPACK的热性能改进在典型电路运行中的半导体结温表现上尤为明显。工业中最常见的电路之一是由电网供电的三相桥式整流器。这种电路可以很容易地用三个SEMIPACK 1模块在一个散热器上构建。桥式整流器的输入为典型的电网电压(如400VAC，50Hz)，直流输出被滤波后为典型负载(如逆变器)提供电流。这种电路可以使用Semikron Danfoss网站提供的在线SemiSel仿真工具轻松仿真。这个免费工具包含了所有SEMIPACK型号的仿真模型，可以快速提供特定条件下的半导体结温。在此示例中，散热器上的三个SEMIPACK模块通过强制风冷散热，入口空气温度为45°C。假设整流器输出端的逆变器驱动电机，则通常需要考虑一次持续3秒的180%过载。

在这些条件下，可以比较第五代和第六代双二极管(SKKD)SEMIPACK的性能(图4)。首先对第五代SEMIPACK 1进行仿真，在三相整流桥的输出电流使结温在过载条件下达到推荐运行极限时记录输出电流值。如行业内常见的设计规则，推荐的运行结温极限一般比数据表中的最大结温低10°C。

例如，当三相整流器的输出电流为207ADC(3秒过载条件)时，第五代SKKD 81几乎达到其推荐的运行极限(115°C)。然而，在相同操作条件和输出电流下，第六代等效器件(SKKD 95)的结温仅达到103°C。此外，第六代SEMIPACK已通过认证，允许器件的最大结温Tj,max达到130°C。相比第五代的大部分器件，这意味着结温提升了5°C。在应用之前提到的10°C运行余量后，第六代器件可以在120°C的条件下连续运行。

图4

产品系列

新推出的SEMIPACK 1.6系列(图5)覆盖了与第五代相同的电流范围，同时扩展了上限电流能力。改进后的设计使双二极管封装在Tc = 85°C条件下可实现IFAV = 143A。对于装备晶闸管的封装(SKKH和SKKT)，其电流额定值为ITAV = 145A(Tc = 85°C)，在20mm封装中达到了市场最高水平。浪涌电流能力也同样处于行业领先水平，ITSM = 2210A @ Tj = 130°C。

鉴于400/480V网络的广泛使用，所有SEMIPACK 1.6均具有1600V的反向阻断电压。此外，还将提供1800V的器件。