本文將解釋在設計用於汽車和商用，建築和農用車輛（CAV）牽引驅動器的新型IGBT電源模塊時所面臨的技術和應用需求經常相互衝突的連續性。
當英飛凌設計團隊開始研發基於IGBT的新型功率模塊，HybridPACK™驅動器，HPDrive，用於汽車和CAV牽引市場時，重點關注最終用戶的需求並清楚地瞭解應用要求。其中包括諸如低成本，高效率，功率密度，鎖定轉子處的扭矩，由於溫度循環而導致的壽命以及再次成本等多種元素。本文描述了新模塊設計的所有方面如何與提供最終產品的既定目標相結合，最終產品最適合所有這些，通常是完全不同的要求，以及與現有的，現有的HybridPACK™2，HP2，模塊。這裡的重點將放在以下三個技術要求上：降低功率損耗，模塊封裝和更高的失速電流額定值，成本增加了所有設計決策的長期陰影。生成的模塊包如圖1所示。
圖1：HybridPACK™Drive，HPDrive模塊包
減少損失
在典型的功率轉換器中，IGBT模塊是大部分功率損耗的來源。如果損失可以減少，這不僅有助於增加能源的能力，例如由內燃機ICE驅動的電池組或發電機，但它將降低對整個冷卻系統的要求，即泵，熱交換器等。所有這些都可以節省車輛的成本和重量。模塊中有三個主要的損耗源：硅傳導損耗，硅開關損耗以及銅或I2R損耗。
傳導損失
對於該模塊，開發了一種名為Electric Drive Train 2，EDT2的新芯片。新型EDT2 750V IGBT芯片具有與先前IGBT3 650V系列相似的垂直結構，但採用基於TRENCHSTOP™5芯片設計的“Micro Pattern Trench”結構進行了改進，具有亞μm檯面寬度，見圖2。這種結構使器件具有非常低的正向壓降（Vcesat），見圖3，同時仍保持≈5μS的短路能力。
圖2：IGBT3 650V和EDT2電池幾何結構的垂直結構
圖3：相同尺寸的IGBT3和EDT2芯片的輸出特性
轉換損失
選擇p發射極強度作為浪湧電壓能力和開關速度之間的折衷。除了最大峰值過壓耐受水平之外，p發射極還影響Eoff與Vcesat的權衡點。阻斷電壓從650V增加到750V可將過壓降至最小，從而減少開關速度，例如通過使用增加的外部柵極電阻，以保持在IGBT RBSOA曲線內。圖4顯示了在400V的總線電壓下，與使用柵極電阻值增加的IGBT3相比，關斷損耗降低了多達29％。
圖4：在VDC = 400V時在同一封裝中測量的IGBT3和EDT2的關斷損耗比較。
圖5：HPDrive的優化芯片佈局
I2 R損失
經常被忽視的是，模塊內部的I2R或銅損耗可能很大，尤其是在高均方根電流下。這種損耗的三個主要組成部分是主總線端子，直接銅鍵合DCB陶瓷的頂部表面和連接到芯片頂部的鍵合線。通過設計具有位於芯片側面的柵極焊盤的IGBT芯片，參見圖5，而不是中心，允許主發射極電流路徑具有更大的銅面積。此外，通過將芯片的形狀調整為更加矩形，與HP2中使用的芯片相比，允許增加數量，與8相比，以及更短的接合線，參見圖5，用於連接頂側模具。總的來說，串聯電阻降低了20％。
HPDrive包裝設計
基礎HPDrive封裝已經從久經考驗的HP2系列中移除了引腳散熱片和內部材料堆棧。但是，HPDrive的底板尺寸減小了36％，重量減少了40％，從而降低了成本。它還引入了靈活的控制引腳佈局系統，使模塊設計人員能夠優化控制引腳的佈局，如圖1所示。這減少了DBC上控制連接所需的銅走線區域。此外，由於控制引腳沒有模製到封裝中，因此可以更加輕鬆地將未來的升級（例如片上溫度或電流檢測）集成到封裝中。為了連接信號引腳，決定使用PressFit技術。與選擇性焊接相比，這是一種快速可靠的生產工藝，氣密連接非常耐用，可抵抗腐蝕性環境和振動。對於電源接頭，直流端子高度交錯，以簡化與層壓直流母線的連接，並且可選擇細長輸出端子以適合電流傳感器，如圖6所示。電流傳感器端子與高度相同模塊控制端子，電流傳感器可以直接連接到柵極驅動器PCB，無需使用額外的電纜和連接器。較小的封裝和模塊內部佈局的優化使電感從14nH（HP2）降低40％至8nH。這樣可以降低IGBT的電壓過沖，從而在更高的直流母線電壓下實現更快的開關速度和/或運行。
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