大功率两单元MPD系列IGBT模块

１引言
不断增长的功率半导体市场需要在短时间内开发出具有紧凑尺寸的更高功率等级的模块。

三菱电机继成功推出具有优越电气特性和散热性能的高品质小型化功率器件后，紧接着又开发了ＮＦ
系列和大功率两单元（ＭｅｇａＰｏｗｅｒＤｕａｌ）
ＩＧＢＴ模块。

该模块采用第５代载流子存储
式沟槽栅型双极性晶体管（ＣＳＴＢＴＴＭ）硅片技
术和轻穿通（ＬＰＴ）技术相结合，进一步提高
了模块的电气性能，如饱和压降Ｖ
ＣＥ（ｓａｔ）
低、
短路能力强和栅极电容小。

除了这些不断提
升的优越性能外，三菱电机在实现ＭＰＤ模
块小型化的同时，还强化了最方便客户使用
的设计特征。

所有这些改进的性能最终将从
根本上降低系统的总造价。

２ＭＰＤ模块的结构性能对其
电气特性和散热性能的影响
文章将阐述ＭＰＤ模块优越的结构性能
及其对ＭＰＤ模块电气特性和散热性能的影
响，并以典型案例说明ＭＰＤ模块的主要应
用领域。

表１示出ＮＦ系列所有ＩＧＢＴ产品一览表及其规格。

电流超过６００Ａ的ＮＦ系列扩展部分产品就称为“ＭＰＤ模块”。

额定值为９００Ａ／１２００Ｖ，１４００Ａ／１２００Ｖ和１０００Ａ／１７００Ｖ的ＭＰＤ模块在表１中用“＊”标出。

在需要并联模块来实现逆变器大功率化的应用中，ＭＰＤ模块不断地赢得了市场的肯定。

由于ＭＰＤ模块具有很大的电流额定值，因此，在诸如大功率ＵＰＳ和风能发电的应用中，本来需要若干个小电流
大功率两单元ＭＰＤ系列ＩＧＢＴ模块
ＭｉｃｈａｅｌＳｌｅｖｅｎ，ＰｒａｓａｄＢｈａｌｅｒａｏ，ＲｏｂｅｒｔＷｉａｔｒ
（三菱电机欧洲，德国）
摘要：作为高密度功率半导体器件的领航者，三菱电机采用最新的ＣＳＴＢＴＭ硅片技术开发出了大功率两单元功率模块，额定值达到９００Ａ／１２００Ｖ、１４００Ａ／１２００Ｖ和１０００Ａ／１７００Ｖ。

这种具有独特设计优势的大功率两单元（ＭｅｇａＰｏｗｅｒＤｕａｌ）ＩＧＢＴ模块适用于大功率ＵＰＳ、风能发电和大功率电动机驱动。

介绍了ＭＰＤ模块的结构特点和电气特性。

关键词：半导体元器件／载流子存储式沟槽栅型双极性晶体管；功率循环能力
中图分类号：ＴＭ４６文献标识码：Ａ文章编号：１０００－１００Ｘ（２００７）０７－０１０１－０２
ＴｈｅＭｅｇａＰｏｗｅｒＤｕａｌＭｏｄｕｌｅ
ＭｉｃｈａｅｌＳｌｅｖｅｎ，ＰｒａｓａｄＢｈａｌｅｒａｏ，ＲｏｂｅｒｔＷｉａｔｒ
（ＭｉｔｓｕｂｉｓｈｉＥｌｅｃｔｒｉｃＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎｏｆＥｕｒｏｐ，Ｇｅｒｍａｎｙ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｍｉｔｓｕｂｉｓｈｉ，ａｐｉｏｎｅｅｒｉｎｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｃｏｍｐａｃｔｐｏｗｅｒｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｄｅｖｉｃｅｓｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓＭｅｇａＰｏｗｅｒＤｕａｌＩＧＢＴｍｏｄｕｌｅｓｒａｔｅｄ９００Ａ／１２００Ｖ，１４００Ａ／１２００Ｖａｎｄ１０００Ａ／１７００ＶｗｉｔｈｌａｔｅｓｔＣＳＴＢＴｃｈｉｐｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．ＴｈｅｕｎｉｑｕｅａｄｖａｎｔａｇｅｏｕｓｄｅｓｉｇｎｏｆｔｈｅＭｅｇａＰｏｗｅｒＤｕａｌｍｏｄｕｌｅｍａｋｅｓｉｔｓｕｉｔａｂｌｅｆｏｒＨｉｇｈＰｏｗｅｒＵＰＳ，ｗｉｎｄｐｏｗｅｒｇｅｎｅｒａｔｏｒｓａｎｄｌａｒｇｅｍｏｔｏｒｄｒｉｖｅｓ．ＴｈｉｓａｒｔｉｃｌｅｄｅａｌｓｗｉｔｈｔｈｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎａｌｂｅｎｅｆｉｃｉａｌｆｅａｔｕｒｅｓｏｆＭＰＤｍｏｄｕｌｅｓａｎｄａｌｓｏｔｈｅｉｒｅｆｆｅｃｔｏｎｅｌｅｃｔｒｉｃａｌａｎｄｔｈｅｒｍａｌｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｔｈｅＭＰＤｍｏｄｕｌｅ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｃｏｍｐｏｎｅｎｔ／ＣａｒｒｉｅｒＳｔｏｒｅｄＴｒｅｎｃｈＧａｔｅＢｉｐｏｌａｒＴｒａｎｓｉｓｔｏｒ（ＣＳＴＢＴＴＭ）；ＰｏｗｅｒＣｙｃｌｅ
定稿日期：２００７－０５－３０
作者简介：ＭｉｃｈａｅｌＳｌｅｖｅｎ，男，德国人。

研究方向为功率
模块的应用。

表１ＮＦ系列和ＭＰＤＩＧＢＴ模块产品一览
１０１
模块并联使用的方案，可以通过采用单个ＭＰＤ模块
方案来替代。

另一个典型应
用就是将ＭＰＤ组件用于造纸工业中的大功率交流变频器，图１示出采用ＭＰＤ模块的成套装置，该装置采用风冷散热。

实际上，ＭＰＤ模块的内部设计特别适合采用水冷系统。

由于ＩＧＢＴ和
ＦＷＤｉ硅片的布局使得冷却
液体的管道可以毫无障碍
地安装到ＭＰＤ基板的固定孔，从而简化了水冷散热器的设计。

３ＭＰＤ的结构特征
图２给出了额定值为１４００Ａ／１２００Ｖ的ＭＰＤ
ＩＧＢＴ的实物照片。

与传统
ＩＧＢＴ模块相比，ＭＰＤ模块具有若干易于使用的结构
特征。

图３示出台阶式
ＭＰＤ直流端子的视图，可见，ＭＰＤ左侧的直流端子处在不同高度上。

这种台阶式结构能够使得直流端子直接安装到分层的叠层直流母线板上，从而避免了为将母线板连接到直流
端子而增加的
折弯。

而且，直流输入端子和
交流输出端子被布置在ＭＰＤ模块相对的两边，这可以简化模块和功率电路的连接。

另外，直流端子的设计可满足与直流母线板低电感连接的需求，从而降低ＩＧＢＴ关断引起的过电压尖峰。

这可以通过平行的铜板或者铝板来实现，中间用绝缘片来绝缘。

这种设计在短路时具有非常好的性能，能够使功率器件在限定的ＳＣＳＯＡ（短路安全工作区）范围内工作。

为了降低ＭＰＤ模块的安装成本和资源，在此特别提一下模块的安装配置。

考虑到客户的成套装配线可能只有有限的安装工具，因此，ＭＰＤ模块安装到散热器和连接功率端子都采用Ｍ６号螺钉。

由多个Ｍ６螺钉构成的功率端子连接接触电阻小，还能够保证连接的可靠性和抗振动性。

而且，采用内置的平面螺母，其接触面积大约是标准螺母的两倍，可以进一步降低主端子连接的接触电阻。

栅极驱动信号连接用的接插件具有自锁功能，能够快速又可靠地将模块连接到驱动板。

这种接插件的抗振动性能比ＥＮ６００６８－２－６标准所规定的更高，且该接插件很容易从广濑电机公司购买到。

内部寄生电感是ＩＧＢＴ模块很关键的参数，它由模块制造商决定。

三菱电机采用改进的叠层母线板结构技术成功地将内部寄生电感减小到１６ｎＨ。

从图４可以看到减小寄生电感对于降低过电压尖峰的作用。

寄生电感的减小还可以进一步降低吸收电容的容量和成本，从而降低了最终系统的总成本。

在诸如风力发电的应用中，功率模块的功率循环能力是一个非常重要的指标。

由于ＮＦ系列模块和ＭＰＤ模块采用了新的硅片技术，因而在这一方面得到了显著的提高。

图５示出在相同条件下对ＭＰＤ与以前的Ｆ系列和Ｈ系列ＩＧＢＴ模块的功率循环能力比较。

除了所描述的ＭＰＤ模块创新的结构外，
还需要强调的
是其所采用的ＩＧＢＴ和ＦＷＤｉ硅片技术成就了模块
卓越的散热性能和电气特性。

这些性能的改善带来了逆变器在功耗、散热成本、ＰＣＢ空间和ＭＰＤ安全工作所需资源的显著降低。

４
结论
最近开发的３种ＭＰＤＩＧＢＴ模块，其额定值为１４００Ａ／１２００Ｖ，９００Ａ／１２００Ｖ和１０００Ａ／１７００Ｖ，
无需并联即可应用于大功率系统中，如大功率ＵＰＳ、风力发电以及大功率交流变频器中。

总的来说，ＭＰＤ模块通过采用改进的硅片技术显著地降低了功耗并改善了电气特性和散热性能，正在引导着更多有成本效益的逆变器设计。

此外，改良的ＭＰＤ结构，如多孔端子、同样大小的连接孔和装配孔、易于使用的栅极接插件端子、台阶式的直流端子结构，这些都会对客户产生更大的吸引力。

（该文由三菱电机机电（上海）有限公司半导体事业部负责编译）
图２ＭＰＤ模块的实物照片
（尺寸１５０×１６６ｍｍ）
图５ＭＰＤ的功率循环能力图１应用ＭＰＤ模块的
成套装置
图３
与直流母线板相连接的模块端子１０２。