大功率开关电源芯片(功率器件芯片)

本文是一个芯片论文的例子，以及如何写关于最大化、密度和功率的论文。

凭借20年的现场经验和4000万个现场模块，MiniSKiiP平台已成为低功率和中等功率电机驱动器的标准。随着适用于多轴或四象限驱动器的新版本产品的推出，驱动器产品组合不断扩大。

2017年，MiniSKiiP庆祝了它的20岁生日。2018年，半导体再次展示了其创新潜力。随着最新一代IGBT芯片的推出，MiniSKiiP在功率密度和性能方面再次成为低功率和中等功率电机驱动器的新标准。结合MiniSKiiP SPRiNG技术和简单组装过程的众所周知的优势，一个新的性能基准正在被设定。

MiniSKiiP也是碳化硅芯片的理想电源模块，包括混合碳化硅和全碳化硅解决方案。MiniSKiiP SiC系列产品配备了来自Rohm和英飞凌的最新芯片，可提供基准性能结果，同时仍具有MiniSKiiP的所有优势。让我们在下面详细了解一下。出色的安装概念不仅在驱动应用中令人印象深刻，而且非常适合太阳能系列逆变器所需的大规模制造过程。

Semicon提供多种三级MiniSKiiP模块产品组合。最新增加的是MiniSKiiP双分裂MLI模块，额定电流为400安，额定电压为1200伏。作为一种选择，它还可以在中性点箝位电路中使用碳化硅肖特基二极管，以实现最高效率。新模块允许逆变器设计无需基板模块和印刷电路板安装。功率高达180千瓦，适用于1500伏直流光伏系统。它为这类产品设定了新的基准。MiniSKiiP双弹簧触点的布局允许低电感DC总线连接，也便于驱动集成和并联交流端子连接。

这一出色的解决方案克服了并联三电平NPC逆变器面临的挑战。该方法适用于构建可扩展的模块化桥臂。半导体控制的思想是利用NPC拓扑的对称性，采用上半桥和下半桥NPC拓扑，称为MLI拓扑和MLI拓扑。每个半桥NPC拓扑在其自己的模块中实现。如图2所示，MiniSKiiP Dual是继SEMITOP E2和SEMITRANS 10之后第三个使用这种创新高效方法的产品系列。

为了实现最高的效率，我们优化了内部三级NPC芯片组:快速开关器件(T1，T4)配有高速IGBT 4(12F4)和SEMIKRON CAL4F二极管，以降低开关损耗。慢开关器件(T2，T3)使用低功率IGBT 4(12T4)和整流二极管来实现最小的传导损耗。

中性箝位电路(D5和D6)也已经过优化:在这里，您可以选择带半导体控制的CAL4F二极管的标准型号，或者带碳化硅肖特基二极管的高效解决方案，效率为99.3%。

除了单个模块之外，Semicon还开发了一个应用示例，演示了一种可用于1500伏DC电压的三相逆变器级的简单设计方法(图3)。

除了基于1200伏IGBT的模块外，迷你基尔双分裂MLI模块还可以提供650伏IGBT。芯片组也被优化:对于输出级，具有快速和软切换特性的S5 IGBT芯片与外部开关T1和T4一起使用；具有低饱和电压VCE和SAT的L5 IGBT芯片用于内部开关T2和T3。二极管是快速开关硅器件，或者是用于慢速开关器件的标准续流二极管。

这些模块非常适合高效系统，如不间断电源和太阳能系统，其最大总线电压为1000伏DC，输出电压为400伏交流电。得益于优化的芯片组选择，该解决方案在单个19英寸机架中可实现高达150千伏安的输出功率。该解决方案在满载时的99%单一转换效率为模块化不间断电源系统设定了新的功率密度参考。如果可选的碳化硅二极管用作箝位电路(D5、D6)，转换效率甚至可以超过99%。谈到碳化硅，我们将面临一个共同的问题。也就是说，MiniSKiiP是否是碳化硅器件的合适电源模块。每当我们谈到所有的碳化硅功率模块，主要要求是低电感模块封装。然而，这不是必需的，尤其是对于具有较低额定电流的功率模块。模块杂散电感和额定电流值(Lstray x I nom)评估因子的引入使我们能够轻松评估碳化硅功率模块的性能。因子越小，可用性越好。虽然在使用MiniSKiiP 6电池模块时，弹簧设计和布局将杂散电感固定在20-25nH左右，但额定电流因芯片组而异。6芯模块的最高可用额定电流为90A，因此评估系数值为2.25x10-6，这是一个可接受的数值:预期性能不受限制。对于额定电流较低(如30A)的全硅微硅，评估系数低至0.75x10-6，实现了碳化硅MOET更快的开关频率应用。

在所有碳化硅功率模块的电流系列中，1200伏6单元模块的额定电流范围为25A至90A。该系列的最新成员将是配备英飞凌的最新碳化硅MOET芯片，Rds为45ω。封装尺寸为1的6芯MiniSKiiP模块。图4显示了4kW电机驱动器功率损耗的直接比较。在这种情况下，碳化硅MOET的dv/dt限制为10kV/μs，以限制电机绕组的应力并满足电磁干扰的要求。使用碳化硅功率模块。15千赫兹时的功率损耗降低了75%。同时，效率从97.8%提高到99%以上。这使得碳化硅成为高效率或电机集成驱动器的完美解决方案，其中逆变器直接构建在电机外壳上或电机内部。在这种情况下，耗散功率损耗的能力是有限的，并且损耗必须最小化。

此外，在给定条件下，当开关频率高于18千赫时，不能使用硅基电机驱动器，否则将超过150℃的工作结温。碳化硅模块可以在40千赫下工作，功率损耗与8千赫下的硅版本驱动器大致相同。碳化硅是支持高达几千赫兹输出频率的高速电机驱动器的唯一解决方案。

同样在硅产品领域，新的芯片技术有利于MiniSKiiP的创新及其在电机驱动中的应用。MiniSKiiP是英飞凌半导体产品中第一个配备新IGBT 7的产品系列。新一代IGBT采用先进的微图形沟槽单元结构和最新的薄晶片技术。因此，这种新的IGBT系列在额定电流和最大结温(Tj=175℃)下的饱和电压仅为1.75伏，在建议的150℃工作温度下的饱和电压为1.70伏。相比之下，上一代(IGBT 4)在Tj=150°C时的饱和电压为2.1V。这意味着电压降低了20%以上，而芯片尺寸降低了近25%。

由于芯片尺寸的减小，MiniSKiiP产品的功耗水平得到了显著提高。例如，随着新技术的使用，封装尺寸为2的MiniSKiiPCIB(整流器-逆变器-制动器)模块的最大电流将从35A增加到50A，而封装尺寸为3的MiniSKiiP 6单元模块的最大电流将从150A增加到200A。假设散热器温度为80℃，开关频率为4千赫兹，过载系数为150%，输出功率将增加20%以上。

使用高性能导热硅脂(HPTP)可以大大降低散热器的热阻，进一步提高输出功率。对于新的200A IGBT 7设备，Rth降低了30%以上。结合这些改进-使用200A IGBT 7代替150AIGBT 4，使用高性能导热硅脂代替标准导热硅脂-可用输出功率可提高65%以上。

降低的饱和电压不仅可以减小芯片尺寸，还可以降低给定输出功率下的总损耗，从而提供更好的整体效率并减少散热器的工作量。图5比较了不同设备在过载下的总损耗(估计值)。仿真结果表明，与基于150A IGBT 4的解决方案相比，基于IGBT 7150A模块的55kW逆变器在过载条件下的总损耗降低了约12%。

使用额定功率为67kW的200A IGBT 7的设计比使用基于150AIGBT 4的模块的55kW系统具有稍高的最大损耗。这意味着IGBT 7号扩展了最大输出功率范围，从而实现了功率范围为1至110千瓦的可扩展功率模块平台。此外，这也意味着基于MiniSKiiP设计的现有功率密度可以直接升级。

IGBT 7的设计完全集中在电机驱动上，这体现在以下几个方面:IGBT 7在高芯片温度下的短路耐受时间为8us。它能承受的峰值电流是额定电流的三倍。由于dv/dt表示IGBT在开启时可以完全控制，而在关闭时dv/dt较低，为4kV/μs，因此可以考虑对电机绕组的影响。这也减少了满足系统电磁干扰要求所需的工作量。

第一步将是在所有迷你CIB和6芯标准模块中全面采用IGBT 7，重点是完全占据芯片面积的电源模块。这些在功率密度方面提供了简单而直接的好处。

除了最新的IGBT技术之外，MiniSKiiP的产品组合通过创新的拓扑结构丰富了其产品线，有助于节约能源。电梯中使用可再生能源越来越受欢迎。这是因为传统的逆变器只允许电力从一个方向流向负载(通常是电机)。随着对节能电机驱动需求的增加，现代逆变器越来越能够实现双向功率流。

在非再生逆变器中，电机的再生能量通过逆变器的制动斩波器转换成热量，制动斩波器连接到制动电阻器。电动机的动能基本上损失了，这由于能量消耗的增加而增加了成本。更重要的是，这种设计可能不符合能效要求。

这就是为什么再生或四象限驱动器在新型逆变器的设计中发挥着越来越重要的作用。在这些设计中，能量不会浪费在制动电阻上，而是反馈给电网，有效地降低了能耗。再生驱动器的设置通常需要一个——的解决方案，带有两个电源模块，一个用于有源整流器，一个用于逆变器组件。

MiniSKiiP ACC双6单元模块将两个独立的6单元组合成一个电源模块，如图6所示。这些模块可在1200伏电压下工作，额定电流高达50A，是低功耗和超低功耗小型电梯或起重机司机的理想解决方案。

MiniSKiiP ACC模块的第二个重要应用领域是多轴变频器，如机器人伺服驱动器。每个轴需要一个独立的六组件模块来控制机器人的运动。将两个六组件模块集成在一个模块包中可以减少50%的模块数量。这降低了变频器的成本和尺寸，并且使得将变频器集成到机器人中更加容易和有效。

随着对新市场的不断占领，最新芯片技术的采用和新拓扑的不断增加，MiniSKiiP显示出了非常广阔的前景和不断增长的需求。为了应对未来，MiniSKiiP的产能将从2019年第一季度开始扩大50%。这项投资表明并证实了MiniSKiiP在未来中低功耗领域的重要性。

除了生产能力的提高，MiniSKiiP外壳材料也在升级，以实现更高的CTI(相对爬电距离指数)。CTI是描述绝缘材料电击穿的指标。该值越高，不同电压极点的两点之间的距离越小。新材料的CTI为600，可以更好地自由协调新系统的设计。此外，新包装材料显示更高的负载变形温度。这将使MiniSKiiP的外壳适合未来更高的最高芯片温度。通过改用这种新材料，半导体还确保了原材料长期供应的可靠性，这是整个供应链的重要组成部分。

MiniSKiiP Dual 1和2是第一个使用新外壳材料的MiniSKiiP封装。所有其他

MiniSKiiP适合未来:它不仅采用最新的硅和碳化硅芯片技术，而且采用新的拓扑结构，可以征服新的市场。适用于大规模生产的最大功率密度和最简单的安装过程也便于在太阳能和不间断电源系统中使用。随着对新包装材料和生产线的投资，半导体确保我们的产品成为您当前和未来产品开发的首选。

芯片论文参考:

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