与此相反,MiniSKiiP®模块中所使用的弹簧触点与标准商业插件连接器有很大的不同,再者它还能提供一个非常大的接触力。采用标准插头连接器,接触力是有限的,因为过高的接触力也会造成了插拔连接器所需的力也相应增加了。插件连接器的典型接触压力是在10N/mm2范围内。
有了MiniSKiiP®弹簧触点,组装的过程中将模块压在散热器上的螺丝所带来的接触力情况就大不相同了。在组装过程中,弹簧接触面的压力范围为20-100N/mm²。传统模块中,负载连接和直流环节母线间的典型螺丝连接的压力约为50N/mm2 。因此弹簧触点和螺丝连接更具可比性,而非传统的插件连接器[2] 。
因为每个弹簧的接触力在4-6 N之间,如在MiniSKiiP®模块中 ,银被选为首选的触点镀层材料。长期广泛的调查已经确认这种接触表面具有高度的可靠性,并且适用于具有SnPb表面的PCB,以及符合RoHS指令的化学锡、热风整平(HAL)锡和镍/镀金(ENIG)的表面。唯一不建议采用弹簧触点的印刷电路板表面处理方式是有机表面保护(OSP) 。
SOI 驱动器
带有高电压集成电路(HVIC)的MiniSKiiP®被称为CIB IPM模块。它的优势是:增大了集成度和增强了易用性。
这里所用的HVIC平台是600V SOI加工技术。SOI技术相对绝缘pn结概念的优势在于相对较小的漏电流。此外,所有活动组件电介质绝缘保证了免受闭锁效应的影响,在绝缘PN结的HVIC中闭锁效应可能导致故障并最终烧毁逆变器。最后, SOI技术可使HVIC在高达200 ℃的工作温度下运行 ,这使得这项技术适合于应对未来电源模块的工作温度要求。
HVIC的工作电压在12V和17V之间,控制成对互锁的三个TOP和三个BOT开关,以防止它们同时开启,以及第四个用于制动斩波器或 PFC电路的BOT开关。输入都兼容TTL或3.3V CMOS逻辑电路,信号输入和输出之间的延迟时间大约是300ns 。一个故障管理功能处理内部故障(电压不足)和外部故障(如过流检测) ,并确保所有CIB开关都被关闭。
然而,SOI驱动器的一个基本特征是先进的电平转换器概念,它可以很大程度上不受驱动器参考电压变化的影响。在逆变器中,陡峭的电流斜坡发生在负载电流切换时,加上系统中的寄生电感,在IGBT的发射极和驱动器参考电压之间产生电压。这些电压可以有两种极性。根据不同的极性,栅极和发射极之间的电压增加或减少。这就导致开关性能的变化。在不利的条件下,可能会导致开关不必要的开启或关闭。在最坏的情况下,甚至可能导致逆变器损坏。此外,使用限流器监测电流会导致驱动器参考电压和IGBT发射极之间产生与负载相关的电压漂移,这会导致类似的问题。
在低功率IPM中,这些寄生电压波动通常都非常低,不过,它们随着功率的增大而增大,也就是说,随着电流的增加,这种影响也变得更为严重。为此,开发了先进的电平转换器概念,可以在两种电压极性下为BOT和TOP开关对电压的变化进行补偿。
BOT电平转换器的基本原理如图 2a所示。在两个独立的传输通道上驱动一个TOP和一个BOT电平转换器。电平转换器是在每个路径上带额外二极管的常规静态CMOS电平转换器。根据原边和副边间电平转换的极性,TOP或BOT电平转换器被用于信号转换,而其他级别的电平转换器被反向二极管所阻挡。在副边,所需要只是简单的OR电路。
TOP开关电平转换器的实现(图2b)更为复杂,因为没有阻断电压为600V 的P-MOS晶体管可供使用。由于这个原因,采用了基于高压nDMOS和高阻断二极管的脉冲信号转换。脉冲转换可减少横向电流,从而减少开关损耗。
图. 2: BOT 开关 (a) and TOP 开关 (b)双极性电平转换器的电路图
在TOP和BOT开关控制中采用双极性电平转换器这一先进概念,使得驱动器可以免受参考电压变化的影响,只受电平转换器开关阻断能力的限制。在静态电压变化情况下,电平转换器的功能由图3a和图3b中的信号特征来体现,电压变化分别为+20V和-20V。动态电压变化也很容易补偿,如图4a所示。此处,二次侧驱动信号的特征几乎是理想的,尽管在发射极电压和驱动器参考电压之间引入了噪声信号。
图. 3: 参考电压在+20V (a) 和 -20V (b)之间变化时,600V SOI 驱动器的特性