电力电子器件的模块化与集成化

2019-04-14 12:36:46 Westpac Electronics

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早期的电力电子产品用分立元器件(discrete devices)组成,功率器件安装在散热器 上,附近安装驱动、检测、保护等印刷电路板(PCB),还有分立的无源元件。用分立元器件 制造电力电子产品,设计周期长、加工劳动强度大、可靠性差、成本也高。 --- 因此电力电子产品逐步向模块化、集成化方向发展,其目的是使尺寸紧凑、实现电力电 子系统的小型化,缩短设计周期,并减小互连导线的寄生参数等。电力电子器件的模块化和 集成化,先后经历了功率模块、单片集成式模块、智能功率模块(IPM)等发展阶段。其中功 率模块与驱动、保护、控制电路是分立的,而单片集成和 IPM 中的功率器件与驱动、保护、 控制等功能集成为一体。

1 功率模块 □ --- 图 1 电力电子变换器常常需要多个功率器件组成,例如一个双向开关至少需要两个功率器件 和两个二极管;考虑串并联,单相、三相半桥或全桥开关电路要用几个、甚至几十个功率器 件和一些辅助器件(如快速二极管 FD)组成。电力电子变换器的功率器件间的互连引线多, 寄生电感大。为了使其结构紧凑、体积小、加工方便,更为了缩短开关器件间的互连导线、 减小电感,功率器件必须实现模块化、集成化,称为功率模块。图 1 给出一个三相全桥整流 模块的外形图,模块有 3 个输入接线端,接三相电源;有 2 个输出接线端,接负载。 --- 将若干功率开关器件和快速二极管组合成标准的功率模块(Power module),是集成电力 电子技术发展进程中最初步的集成化、模块化。因为这种功率模块没有与驱动、控制、保护、 检测、通信等功能集成。现在国内外已经开发出功率 MOS 管、可控整流元件或晶闸管(SCR)、 双极型功率晶体管以及 IGBT 等功率模块。 -- 1 基本电路理论课程论文 2006-2007 第一学期 图 2 ------ 图 3 最简单的功率模块是单相功率因数校正用的 Boost PFC 功率模块,它包含一个 IGBT(或 功率 MOS 管)与一个 Boost 二极管以及 4 个整流管组成的单相桥。图 2(a)、(b)分别给出单 相 Boost PFC 变换器系统及 PFC 功率模块组成图,有 8 个接线端,配以电感、电容元件,就 可以组装成单相 Boost PFC 主电路,十分简便。 --- 变频器主电路也有专用的功率器件标准模块,可以灵活地组装成各种单相、三相半桥或 全桥逆变器[1]。 在双向开关的基础上,德国 EUPEC 公司研制成功矩阵变换器专用的开关矩阵模块,日本 富士电机开发了矩阵变换器专用的逆阻型 IGBT 模块。所谓逆阻型 IGBT 是指可以承受较高反 向电压的 IGBT,反向时这种 IGBT 可处于阻断状态。不像普通 IGBT 承受反向电压的能力较 弱,很可能被反向电压击穿,所以普通 IGBT 要提高承受反向电压的能力,必须串联一个二 极管。一个 3×3 矩阵变换器中需要 9 个双向开关模块,用普通 IGBT,每个模块需要 2 个 IGBT 和 2 个二极管相连接;而用逆阻型 IGBT,每个双向开关模块直接由 2 个 IGBT 并联组成,3×3 矩阵变换器用逆阻型 IGBT 构成双向开关模块,可省去 18 个二极管,减少了器件功耗。 --- IGBT 基本单元模块,见图 3(a)。由一个 IGBT 和一个 FD 反并联组成(称为 1 in 1), 有 4 个接线端。在需要更大电流的场合,可以用几个基本单元并联。 --- 二单元(2 in 1)IGBT 模块,见图 3(b),由两个基本单元组成,有 7 个接线端,可看作 是逆变器桥式开关电路的一个桥臂,可以构成单相半桥 PWM 逆变器。3 个二单元 IGBT 模块, 就可以构成三相 PWM 变频器,当需要更大电流定额时,可以几个模块并联使用。 --- 除了基本单元和二单元外,典型组合方式还有六单元(6 in 1)IGBT 模块和七单元(7 in 1)IGBT 模块。六单元 IGBT 模块由 6 个 IGBT 和 6 个 FD 组成,有 13 个接线端,形成一台三 相变频器。同样可以几个模块并联,以便用于更大电流应用。七单元(7 in 1)IGBT 模块, 由 7 个 IGBT 和 7 个 FD 组成,可构成变频器和制动电路。还可以内置其他器件,如桥式整流 电路的二极管、电容的充电器用的 SCR,以及检测温度用的热敏电阻等。 --- 图 4 给出两种有代表性的 IGBT 模块结构。图 4 是通过外壳与接线端子一体化成型的结 构,减少了连接件的数量,使内部连线电感减小。通过在基片上直接敷铜(DCB)的方法,使 IGBT 模块热阻小、抗断强度高。 -------- 2 基本电路理论课程论文 2006-2007 第一学期 图 4 图 5 -图 5 所示为 IGBT 模块通过引线连接的结构,封装简单,可实现轻、小、超薄型功率模 块,减少组装工序。合理配置 IGBT 和 FD 的芯片,可使热量有效散发。 --- IGBT 发展到今天,已经开发出第五代技术的产品,它是以沟槽型(Trench)门极结构和 电场截止(Field stop-FS) 型基区结构相结合为特征的。其功率损耗比非穿通(NPT) 型 IGBT 减少了 25%。日本富士公司开发的 Trench FS IGBT 的新型模块[2],IGBT 芯片和续流二极管 (FWD)芯片并联,面积为普通 IGBT 模块的 50%。 富士新型模块有 1 in 1、2 in 1、直到 6 in 1 几种。例如 6 in 1 的新型 IGBT 模块,1700V 电压,电流有 25,300,450 三种,125℃温 度下正向压降约 2.3~2.45 V。 --- 德国 EUPEC公司开发了中等功率传动用 IGBT模块,模块的基板上内置电流取样电阻[3], 可测量 35kW 等级逆变器的电流。 --- 德国 Semikron 电子公司 1996 年开发了 MiniSKiip 型 CIB(整流、逆变、制动斩波)模 块,并推向市场[4]。图 5 给出 MiniSKiip 的典型组成:其中包括:三相桥式整流电路(六 个整流管);制动斩波电路(IGBT 和整流管各一个);三相 PWM 逆变电路(IGBT 和续流二 极管各六个)。动态制动时,斩波电路用做降压变换器,功率因数校正电路中,斩波电路则 按升压变换器工作。将所有芯片(整流管、IGBT、续流二极管)封装在一个 CIB 模块内。 □ --- 2002 年 Semikron 又推出新一代 MiniSKiip -Ⅱ型 CIB 模块,使用当今前沿的芯片封 装,改善热阻、减小尺寸,为 0.37~30 kW 变频器提供低成本、紧凑型 1200V 及 600V 功率 模块。模块内还集成一个温度传感器,以检测模块内温度。 2 单片集成式模块 --- 随着半导体集成电路技术的进步和发展,使有可能将功率器件、驱动、控制、保护等 电路,集成在一个硅片上,形成所谓单片集成 (System on chip) 模块。典型的例子是美国 功率集成 (Power Integration) 公司推出的三端离线式 PWM 开关 TOPSwitch (Three Terminal Off-line PWM Switch) [5],它是一种高频开关电源专用的模块。2002 年开发了 第四代产品 TOPSwitch-GX,具有软启动、线性限压检测、远程通/断控制、在线热关闭选通, 并可调至零负载和由用户设置精确的限流值等功能。TOPSwitch-GX 有 33 种型号,如 TOP242、 TOP250 等,这种模块将功率 MOS 管和 PWM 电路集成在同一芯片上。图 6 给出 TOP242-250 的 功能方块图。可另外配接桥式整流电路、电感、电容、二极管及变压器,用以组装成 130 kHz、 250W 以下 的 Buck, Boost, Forward, Flyback 等 DC-DC 或 AC-DC 开关变换器。其特点是外 3 基本电路理论课程论文 2006-2007 第一学期 围电路简单、成本低廉。 □ --- 图 6 图 6 中单片集成模块的接线端(引脚)有六个:右边 D 和 S 分别为 MOSFET 的漏极和源极; 左边自上而下,C 为控制端,X 为极限电流设置端,L 为检测端,F 为开关频率选择端。图 7 为 TOP220-7C 的外形图。 □ --- 图 7 单片集成模块简单,应用方便,但由于传热、隔离等问题还没有有效解决,而且用单片集成 技术将高电压、大电流功率器件和控制电路集成在一起的难度较大,目前这种集成方法只适 用于小功率电力电子电路中。 3 智能功率模块 IPM --- 智能功率模块 IPM(Intelligent Power Module)是一种混合集成方法,20 世纪 80 年代 即已开发。日本东芝、富士电机、Eupec /Infineon, Semikron, Powerex 等公司都生产 IPM。 将具有驱动、控制、自保护、自诊断功能的 IC 与电力电子器件集成,封装在一个绝缘外壳 中,形成相对独立、有一定功能的模块。功率半导体器件和 IC 安装在同一基片(Common substrate)上,用引线键合(Wire bonding)互连,并应用了表面贴装(Surface mounted)技 术。 --- 智能功率模块是一种单层单片集成、一维封装;其主要问题是:互连线不可靠、寄生元 件(电阻、电感)太多、一维散热,在 kW 级小功率电力电子系统中应用。进一步的发展方向 是多芯片模块封装以及集成电力电子封装技术[6]。

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