电力电子器件的模块化与集成化

基本电路理论课程论文2006-2007第一学期电力电子器件的模块化与集成化班级：0503603学号：5050809063姓名：常明华摘要：概要介绍电力电子器件的模块化与集成化发展进程以及功率模块、单片集成模块和智能功率模块等三种常用的电力电子器件模块。关键词：电力电子；器件；集成；模块；单片；智能早期的电力电子产品用分立元器件(discretedevices)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(Powermodule)，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BoostPFC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BoostPFC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BoostPFC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1in1），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(2in1)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(6in1)IGBT模块和七单元(7in1)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(7in1)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(Fieldstop-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TrenchFSIGBT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1in1、2in1、直到6in1几种。例如6in1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2.3～2.45V。---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0.37～30kW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(Systemonchip)模块。典型的例子是美国功率集成(PowerIntegration)公司推出的三端离线式PWM开关TOPSwitch(ThreeTerminalOff-linePWMSwitch)[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130kHz、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(IntelligentPowerModule)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(Commonsubstrate)上，用引线键合(Wirebonding)互连，并应用了表面贴装(Surfacemounted)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]。参考文献4基本电路理论课程论文2006-2007第一学期1富士IGBT模块手册.富士电机电子设备技术株式会社，2004.52SeikiIgarashi,etal.IntegrationTechnologiesforhighpowerIGBTModule.Proceedingsofthe3rdInternationalPCIMChinaConferenceforPowerElectronics,20043M.Homkampetal.CurrentShuntResistersIntegratedinIGBTPowerModulesforMediumPowerDriveApplication.Proceedingsofthe3rdlPCIMChina,20044JLi,etal.ANew600VCIBModulewithIGBT.FWDandrectifierOperatingupto175oC.Proceedingsofthe3rdlPCIMChina,20045张勇.TOPSwitch-GX系列单片开关电源的应用.通信电源技术，21卷，No.3,20046蔡宣三.集成电力电子技术.第三届国际电源技术论坛论文集(北京)，2004.55