SEMIKRON SKiiP 4 User Manual
SEMiNEWS
賽米控專刊
赛米控中国於2009年下半年的
活动概览:
7月9
日
赛米控风力发电技术研讨会
(北京)
9月11
日
第三届电力电子创新技术及解决方案
研讨会(太陽能光伏發電)
(常州)
10月21-23
日
北京国际风能大会暨展览会
(北京)
(
展台號1B09
)
11月6-8
日
第十五届中國電動車輛學術年會
(上海)
第四期
Issue 4 (2009年8
月
)
sKiiP® 4
—
市场上輸出電流最大的智能功率模塊
sKiiP® 4，新一代智能功率模块(IPM)，相比采用焊接工艺的模块，其使用寿命更长，
工作温度更高。sKiiP® 4是目前市场上輸出電流最大的智能功率模块，比之前的
sKiiP
®
3 ， 其輸出功率提高了33% 。 sKiiP® 4 IPM主要用于风能和太阳能应用、
電力牵引、电梯系统以及大功率的工業驅動。
赛米控技术研讨会在中国三地圆满结束
第四期
(2009年8
月
)
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2009年3月，赛米控分别在深圳、上海和北
京举办了技术研讨会。在深圳和上海两地的
研讨会主题为“应用在电动汽车、风力发电
机、电焊机和变频器上的功率模块”; 而在北
京一站的主题则为“紧凑及高可靠性电动汽
车和混合动力汽车电机驱动器的设计”。每
站研讨会均吸引了百多位来自有关行业的用
户參與。
在研讨会上，赛米控大中华区总经理任力新
先生首先向听众发布了赛米控的新闻，并分
析了当前的风电行业和电动汽车行业的市场
态势及发展前景。赛米控十分看好电动汽车
和混合动力汽车行业，并推出针对电动汽车
的产品，如SKAI® 2 IGBT逆變器及专为电动
和混合动力汽车而设计的SKiM® IGBT模块
等。此外，赛米控一直关注风电行业，其采
用专利压接技术的SKiiP®智能功率模块已被
成熟应用在风力发电市场上。以“可再生能
源中的电力电子器件应用”为题的报告为会
议中的听众引起莫大的探讨兴趣。
另一极受听众关注的会议专题是“使用
简易PCB来设计最经济的逆变焊机”，
在报告当中, 赛米控大中華區技术总监
Norbert Pluschke先生解释了“变频器应用
中的过载”、“变频器和UPS应用中如何
避免设计缺陷以及分析失效功率模块”、
“使用不同封装技术的功率模块来设计中
压变频器”等方案。
而在“新的IGBT芯片技术为变频器应用提供
更高的过载能力”一题中，赛米控详细解释
及分析了第4代沟槽IGBT芯片的特性及为变
频器应用所带来的优点。
其他研讨专提包括“具有可靠性的弹簧连
接技术在电力电子的应用”、“功率器件
的散热器设计”、“低杂散电感的直流母排
设计”、“IGBT的并联使用”、“IGBT驱动器
设计”、“如何避免设计缺陷”以及“如何分析
失效的模块”等等。
此外, 在7月9日，赛米控于北京举行了一
主题为“风力发电应用中的大功率变流系
统”的技术研讨会。当中针对“风力发电拓扑
结构”、“模块化的风力发电变流器设计”及
“风力发电变流器应用中的电力电子器件”的
题目作深入讲解。并首次在会中加插小组讨
论环节, 利用产品样本，以互动的方式去作
实例应用的讨论。
透过每年一度的技术研讨会，赛米控将最新
的技术和产品跟用户分享，并进行直接的沟
通，因此，每年的研讨会均获好评。
P3 (2009年8
月
)
第四期
SKiiP
®
4智能功率模块
的功率密度提高了33%
SKiiP® 4，新一代智能IGBT功率模块，相比
采用焊接工艺的模块，使用寿命更长，可
用于温度更高的应用中。该SKiiP®功率模塊
是目前市场上最强大的智能功率模块，比
SKiiP® 3的功率密度大33% 。該IPM主要用
于风能和太阳能应用、牵引应用、电梯系统
以及大功率的工业驱动器中。
在相同的条件和模块尺寸下，SKiiP® 4
所提供的功率密度比该系列模块的当前版
本SKiiP® 3 多33％。這意味著，我们可以
借助 SKiiP® 4 开发更强大、结构更紧凑的
变频器，从而降低成本。功率的增加依赖于
使用了创新压接系统、改进的散热器以及
IGBT4 、CAL4芯片技术。此外， 該模塊首
次使用6个并联的半桥，而非目前所普遍采
用的4个半桥。
SKiiP® 4模块中，半导体芯片不是焊接到陶
瓷基板上，而是采用烧结技术连接，这意味
着在不牺牲可靠性的情况下可以工作在更高
温度下，某些情况下甚至使可靠性得到增
强。烧结接合处是一个薄银层，热阻比焊接
键合的低。由于银的熔点高，可防止过早产
生材料疲劳。
与SKiiP® 3 一样， SKiiP® 4 IPM集成了散热
器、功率模块，驱动器和保护传感器等。这
里，基于压力系统的安装和连接技术发挥了
至关重要的作用。客户也可以选择IPM运行
在实际工作条件下的独特老化实验。通过这
些实验，可以识别早期产生的硅失效并将有
缺陷的芯片清除。实验中，模块是被暴露在
最大可能结温下。
无焊接压接系统和集成的叠层母線确保均匀
的电流分布。每个IGBT和二极管芯片单独
连接到主端子上，使模块內阻抗很低。这些
芯片不是焊接到陶瓷基板上，而是通过烧结
过程连接。由于这些模块没有底板，DCB和
散热器之间的无焊接连接是准柔韧的，这就
是为什么热循环能力没有上限。可提供阻
断电压为1200V和1700V的SKiiP® 4，采用
双管拓扑结构，每个IPM有3、4或6个并联
的半桥。
用于开关信号的数字信号传输是确保极高可
靠性和开关信号抗干扰的关键。除各种技术
优势外，它可以确保高度的信号完整性以及
抗干扰性。信號的傳輸對溫度的變化不敏
感。开关和传感器信号传输信道具有电气隔
离，这意味着用户无需提供额外的隔离。为
了更加完美，新 SKiiP® 4 IPM还有一个多级
输出级，以减少过电压，输出级中还包括其
他各种保护功能。最后，在用户侧还提供优
化评估的诊断通道。
100%无焊接IGBT半桥
芯片安装采用烧结工艺，可承受更高的
运行温度，使用寿命更长
适用于400kW-1.8MW的应用
第四期
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近年来，业界对于高可靠、结构紧凑、功能
强大且物美价廉的功率模块的呼声变得越来
越响亮。诸如风力和太阳能电站、无轨电
车、有轨电车、地铁以及其他大功率工业驱
动器需要具有最大可靠性的功率模块。随着
SKiiP® 4 IPM的推出，赛米控对这一呼吁做
出了响应。赛米控已建立的系统组件良好匹
配的概念也是该解决方案所具有的特点: 散
热器、电力电子器件、栅极驱动器和保护机
制。 SKiiP® 4是该领域一贯发展和改进的结
果，结合了多年的实践经验和最先进封装技
术的使用，以及可靠的数字信号传输技术。
新的IPM针对额定电流为3600A、最高
Udc为1,700V的应用进行了优化。此外，
它是第一款具有在一个散热器上并联有6个
半桥特点的模块。因此，载流能力提高了
50% ，从而可以设计结构更为紧凑、功能
更为强大的解决方案，如用于开关柜中。
因而该新模块可在不降低可靠性的情况下，
满足不断增长的更高功率密度设计的需求。
在这方面，热循环能力和负载循环能力是
关键。在牵引领域，例如，电车在夜间温
度降至零度以下，而在启动时温度可高达
100°C。此处所采用的最佳装配和连接技
术，不再需要底板，因而保证了这种能力，
即使在极端恶劣的外部环境条件。通过改用
烧结技术将功率部分的 最终焊层去除掉，
实现了最大的负载循环能力。
得益于IGBT4和CAL4技术，SKiiP® 4 IPM提
供大功率密度，使其成为一种强大且紧凑
的模块——事实上，它是目前市场上最强
大的IPM。
用于大功率工业应用的IPM
最大电流可达3600 A
表 1. SKiiP® 4的特点: Irms1: 输出电流有效值；
Irms2: 150%过载持续60s时的输出电流有效值，
输出频率为2 – 50Hz
赛米控产品经理 • Ralf Herrmann
功率部分
新的IPM系列以无底板SKiiP®技术为特色，
芯片連被壓到DCB板上，DCB板被壓到散
熱器上。无焊接压力系统和集成叠層母線
确保均衡的电流分布。每个IGBT和二极管
芯片分别连接到主端子。这样可使内部负载
电阻和损耗保持最低。新的叠層母線在功率
模块中同时履行几个职能。一方面，它将
DCB (直接铜键合) 压在散热器上，由此在
整个DCB表面上分布了大量的接触，确保了
与散热器的均匀接触。另一方面，这些触点
直接作为电流媒介。层状结构使得触点和硅
片之间的连接的电感和电阻小。这在并联的
IGBT之间可提供良好的动态电流分布 。
这种压力系统在模块内被动热聚集方面所提
供的优势是不言而喻的；事实上，与传统的
带基板功率模块相比，此设计的热循环能力
强5倍。导致这一结果的原因是功率模块包
含不同的材料，如铜、陶瓷 (如氧化铝) 和
硅，每种材料的热膨胀系数不同。在被动温
度变化的情况下，不同的材料内均有不同程
度的膨胀。这会在诸如连接陶瓷基板和底板
的焊接层上产生疲劳现象。其结果是，热阻
大大增加，最终导致模块故障。
图 1. 采用覆盖键的烧结芯片连接相比，焊接芯片
连接的退化
优化组装和连接技术还需要正确选择
IGBT和二极管。为了能够提供高最高结温
Tjmax = 175°C，赛米控的SKiiP® 4模块在
1200V和1700V两个模块版本中使用了英
飞凌的IGBT4技术。所用的二极管是由赛
米控开发的CAL4续流二极管，同样允许
175 °C的最高结温。
图 2. 采用烧结芯片的模块，其熔化温度比工作
温度高6倍。
Operating
temperature
Unbreakable sinter joint:
Melting temp. is 6 x higher than operating temp.
220oC
150oC
>900oC
6 x higher
Solidus temperature
100%无焊接
过去，焊鍚是将半导体芯片附着和互连到基
板的首选材料。然而，焊锡合金因其熔点只
有220°C，在实现更高芯片工作温度方面有
局限。在SKiiP® 4模块，硅芯片和DCB基板
之间的焊接层完全被烧结层所取代。有了这
一连接技术，芯片首次被放置在银涂层上，
并在其上施加压力，以在DCB和芯片之间
建立一个永久的连接。这一薄银层的的热阻
比焊接连接小且熔点较高，达960°C ，这
就是为什么可以避免过早材料疲劳的原因。
银连接是坚固的，熔化温度比焊接连接高
6倍 (图2) 。与采用焊接芯片的模块相比，
SKiiP® 4 具有更高的负载循环能力。
牢固的烧结点：
熔点温度比运行温度高6倍
熔点温度
高 6 倍
运行温度
典型的焊接层 烧结层
热阻
焊接芯片
烧结芯片
Rth j-c [K/W]
循環 (1000)
T
c.min
= 40°C
T
j. max
= 128°C
Udc Ic nom Irms 1 [A] Irms 2 [A]
SKiiP1814GB12E
1200V 1800A 1315 825
SKiiP2414GB12E
1200V 2400A 1750 1100
SKiiP3614GB12E
1200V 3600A 2625 1650
SKiiP1814GB17E
1700V 1800A 1315 825
SKiiP2414GB17E
1700V 2400A 1750 1100
SKiiP3614GB17E
1700V 3600A 2625 1650
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