本文将解释在设计用于汽车和商用，建筑和农用车辆（CAV）牵引驱动器的新型IGBT电源模块时所面临的技术和应用需求经常相互冲突的连续性。
当英飞凌设计团队开始研发基于IGBT的新型功率模块，HybridPACK™驱动器，HPDrive，用于汽车和CAV牵引市场时，重点关注最终用户的需求并清楚地了解应用要求。其中包括诸如低成本，高效率，功率密度，锁定转子处的扭矩，由于温度循环而导致的寿命以及再次成本等多种元素。本文描述了新模块设计的所有方面如何与提供最终产品的既定目标相结合，最终产品最适合所有这些，通常是完全不同的要求，以及与现有的，现有的HybridPACK™2，HP2，模块。这里的重点将放在以下三个技术要求上：降低功率损耗，模块封装和更高的失速电流额定值，成本增加了所有设计决策的长期阴影。生成的模块包如图1所示。
图1：HybridPACK™Drive，HPDrive模块包
减少损失
在典型的功率转换器中，IGBT模块是大部分功率损耗的来源。如果损失可以减少，这不仅有助于增加能源的能力，例如由内燃机ICE驱动的电池组或发电机，但它将降低对整个冷却系统的要求，即泵，热交换器等。所有这些都可以节省车辆的成本和重量。模块中有三个主要的损耗源：硅传导损耗，硅开关损耗以及铜或I2R损耗。
传导损失
对于该模块，开发了一种名为Electric Drive Train 2，EDT2的新芯片。新型EDT2 750V IGBT芯片具有与先前IGBT3 650V系列相似的垂直结构，但采用基于TRENCHSTOP™5芯片设计的“Micro Pattern Trench”结构进行了改进，具有亚μm台面宽度，见图2。这种结构使器件具有非常低的正向压降（Vcesat），见图3，同时仍保持≈5μS的短路能力。
图2：IGBT3 650V和EDT2电池几何结构的垂直结构
图3：相同尺寸的IGBT3和EDT2芯片的输出特性
转换损失
选择p发射极强度作为浪涌电压能力和开关速度之间的折衷。除了最大峰值过压耐受水平之外，p发射极还影响Eoff与Vcesat的权衡点。阻断电压从650V增加到750V可将过压降至最小，从而减少开关速度，例如通过使用增加的外部栅极电阻，以保持在IGBT RBSOA曲线内。图4显示了在400V的总线电压下，与使用栅极电阻值增加的IGBT3相比，关断损耗降低了多达29％。
图4：在VDC = 400V时在同一封装中测量的IGBT3和EDT2的关断损耗比较。
图5：HPDrive的优化芯片布局
I2 R损失
经常被忽视的是，模块内部的I2R或铜损耗可能很大，尤其是在高均方根电流下。这种损耗的三个主要组成部分是主总线端子，直接铜键合DCB陶瓷的顶部表面和连接到芯片顶部的键合线。通过设计具有位于芯片侧面的栅极焊盘的IGBT芯片，参见图5，而不是中心，允许主发射极电流路径具有更大的铜面积。此外，通过将芯片的形状调整为更加矩形，与HP2中使用的芯片相比，允许增加数量，与8相比，以及更短的接合线，参见图5，用于连接顶侧模具。总的来说，串联电阻降低了20％。
HPDrive包装设计
基础HPDrive封装已经从久经考验的HP2系列中移除了引脚散热片和内部材料堆栈。但是，HPDrive的底板尺寸减小了36％，重量减少了40％，从而降低了成本。它还引入了灵活的控制引脚布局系统，使模块设计人员能够优化控制引脚的布局，如图1所示。这减少了DBC上控制连接所需的铜走线区域。此外，由于控制引脚没有模制到封装中，因此可以更加轻松地将未来的升级（例如片上温度或电流检测）集成到封装中。为了连接信号引脚，决定使用PressFit技术。与选择性焊接相比，这是一种快速可靠的生产工艺，气密连接非常耐用，可抵抗腐蚀性环境和振动。对于电源接头，直流端子高度交错，以简化与层压直流母线的连接，并且可选择细长输出端子以适合电流传感器，如图6所示。电流传感器端子与高度相同模块控制端子，电流传感器可以直接连接到栅极驱动器PCB，无需使用额外的电缆和连接器。较小的封装和模块内部布局的优化使电感从14nH（HP2）降低40％至8nH。这样可以降低IGBT的电压过冲，从而在更高的直流母线电压下实现更快的开关速度和/或运行。
关于锁定转子/失速电流额定值与两种不同的模块设计路径内容的解析，请打开下面链接进行完整浏览：https://www.eetoday.com/application/automotive/201903/53128.html
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