HVIGBT的电路拓扑与内部构造

为了满足客户的需求，三菱电机的HVIGBT采用国际通用的封装。兼容的封装方便客户找到后备供应商。其封装可以按照外部电气输出特性分类，也可以按照封装尺寸和绝缘等级分类。

表3.1 三菱电机HVIGBT的主要电路拓扑结构

按照HVIGBT的封装尺寸分类，可以分为传统模块的130*140mm, 190*140mm封装，以及LV100和HV100模块的100*140mm封装。考虑到某些应用场合对模块的绝缘等级要求很高，按照绝缘等级的不同，三菱电机HVIGBT分为标准绝缘(6kVrms@1min)和高绝缘(10.2kVrms@1min)两种封装。

表3.2 三菱电机HVIGBT的封装结构

以传统封装模块为例，其标准绝缘封装与高绝缘封装的区别如下表：

表3.3 传统封装模块标准绝缘与高绝缘封装的区别

以三菱电机R系列HVIGBT为例，HVIGBT的主要结构包括：散热基板，绝缘基板，芯片，输出端子，PCB板以及外壳等部分组成。图3.1为三菱电机R系列HVIGBT内部结构图。

图3.1 三菱电机R系列HVIGBT内部结构图

三菱电机R系列HVIGBT剖面图如图3.2所示。

图3.2 三菱电机HVIGBT剖面结构示意图

HVIGBT各主要部件的主要功能及材料如下表：

表3.4 三菱电机HVIGBT主要部件及材料

芯片是HVIGBT的核心部分，主要包括IGBT芯片和与之并联的二极管(FWD)芯片。不同电压和电流等级的芯片的大小不同。

图3.3 三菱电机CM1500HC-66R内部结构

由图可见，虽然铜基板的导热性能好，但是因为其热膨胀系数大，因此对模块的热疲劳寿命要求比较高的场合，采用AlSiC基板更合适。而且AlSiC基板质量更轻，有利于设备的轻量化设计。

绝缘基板处于散热基板和芯片之间，起到绝缘作用。同时，为了将芯片工作时候产生的热量有效地传递出来，也要求绝缘基板的热阻要很小。目前三菱常用的绝缘基板主要有Al₂O₃和AlN。两者比较，AlN的热阻要小于Al₂O₃，但是成本相对较高。

同时，为了方便与芯片和散热基板焊接，绝缘基板的上下表面都做了金属化处理。

主端子的一端焊接在与芯片相连的绝缘基板的金属层上，另一端从外壳引出，用于连接设备。其结构设计直接影响到HVIGBT内部的杂散电感大小，其截面积影响到HVIGBT的最大输出电流。

下图为三菱电机HVIGBT H系列及R系列的主端子结构设计，通过优化设计，减小了HVIGBT内部杂散电感，并增加了主端子的电流密度，使原来每个主端子的最大电流能力从400A提升到了500A。

图3.5 三菱电机H系列与R系列HVIGBT主端子示意图

外壳起到保护HVIGBT内部结构件的作用，采用特殊工艺与散热基板固定在一起，同时承载主输出端子。外壳的强度，也影响到HVIGBT的安装力矩，如果外壳的材料不过关，在安装过程中很容易造成外壳损坏。

在HVIGBT外壳和内部结构件之间，会注入凝胶。其目的是保护芯片和绑定线，能减小外界环境湿度或振动对HVIGBT产生的不良影响，同时还起到绝缘作用。