1 引言

電力電子領(lǐng)域開發(fā)新產(chǎn)品和新技術(shù)的驅(qū)動(dòng)力量來自于市場日益增長的對(duì)更高功率密度、更大系統(tǒng)集成度、堅(jiān)固耐用性以及更高可靠性的需求。同時(shí)隨之而來的是市場對(duì)產(chǎn)品低成本、標(biāo)準(zhǔn)化接口、靈活可擴(kuò)展以及模塊化的需求。

在過去的幾年中，電力電子領(lǐng)域關(guān)注的焦點(diǎn)多集中在定位于特定目標(biāo)市場的新型大功率集成電路的研究與開發(fā)及其更新?lián)Q代上。這樣不僅導(dǎo)致了標(biāo)準(zhǔn)igbt模塊的產(chǎn)生，而且也出現(xiàn)了一些經(jīng)過優(yōu)化滿足特定客戶需求的特殊類型的模塊。低損耗系列模塊因?yàn)榻档土送☉B(tài)壓降而得到優(yōu)化，然而因?yàn)樗拈_關(guān)損耗非常高，則只有在開關(guān)頻率較低的應(yīng)用場合使用這種模塊才有意義。與此對(duì)應(yīng)，業(yè)界也開發(fā)了應(yīng)用在高開關(guān)頻率領(lǐng)域的超快速模塊。由于較小的尾電流，這些igbt模塊都是諧振開關(guān)變換器的理想選擇。除此之外，在不改變模塊體積的情況下，新一代功率集成模塊都具備更高的功率密度和效率。新型的溝道igbt和軟穿通型igbt就是該方向今后研發(fā)的重點(diǎn)，從而進(jìn)一步增加了可選用模塊選件的范圍。

2 新型模塊發(fā)展的技術(shù)挑戰(zhàn)

現(xiàn)今最新一代的溝道igbt和軸向載流子壽命控制續(xù)流二極管構(gòu)成的模塊電流密度達(dá)到200a/cm2(圖1)。如此高的電流密度使得現(xiàn)有的封裝尺寸效率更高，也就是說現(xiàn)有的電流等級(jí)所需要的芯片面積會(huì)逐漸減小。例如1999年semikron最大的1200v半橋模塊額定電流是400a，而今同樣的封裝卻能提供600a的電流。由于功率密度的持續(xù)提高，生產(chǎn)廠商和功率模塊用戶都經(jīng)常面臨新的挑戰(zhàn)。

圖1 電流密度的發(fā)展

一段時(shí)間以來，功率變換器的體積已經(jīng)不再取決于功率半導(dǎo)體模塊的尺寸，而是由無源元件如電容、電感和濾波器等決定的。這種現(xiàn)象在小功率驅(qū)動(dòng)器上尤其如此，這一點(diǎn)可以從文獻(xiàn)[1]ecpe(歐洲電力電子中心)的一項(xiàng)研究報(bào)告中看出來。對(duì)于2.2kw范圍以下的現(xiàn)代驅(qū)動(dòng)器，功率半導(dǎo)體模塊封裝只占整個(gè)設(shè)備體積的6%，這和電纜端子所占的體積大致相當(dāng)，直流環(huán)節(jié)的電容組約占12%的體積，是功率器件的兩倍，而其中所占空間最大的部件就是控制電路板(約占23%的體積)，因?yàn)樗粌H包含驅(qū)動(dòng)和控制電路，還包含供電單元和emi濾波器(圖2)。這樣一種趨勢也在向大功率變換系統(tǒng)上延伸。電力電子器件變得越來越小，而無源元件、電纜和主回路接線端子等的體積卻基本不變。

圖2 現(xiàn)代2.2kw驅(qū)動(dòng)器上各元件/體積對(duì)照圖

如今功率器件的尺寸不再取決于半導(dǎo)體芯片所占用的面積，而是取決于主回路端子。因此人們期望減小電力電子模塊的體積從而降低成本并達(dá)到像芯片尺寸減小那樣的程度是不現(xiàn)實(shí)的。而且在存在振動(dòng)的場合，大的電纜橫截面和直流母線排都會(huì)對(duì)模塊產(chǎn)生比較大的應(yīng)力，這些因素甚至?xí)?duì)連接元件的可靠性產(chǎn)生負(fù)作用。因此，在設(shè)計(jì)功率變換器時(shí)消除應(yīng)力的元件以及直流電路環(huán)節(jié)額外的機(jī)械加固元件也扮演著重要的角色。

半導(dǎo)體模塊中日益增加的功率密度給用戶帶來越來越多的散熱問題。當(dāng)功率保持不變時(shí)，模塊體積越來越小，單位體積功率模塊的功率損耗值就逐漸增加，這就對(duì)散熱器提出了更高的要求。

在強(qiáng)制風(fēng)冷系統(tǒng)中，因?yàn)榭煽啃缘木壒?，通常不大可能利用到模塊的最大功率，為此我們并不建議用戶增加散熱器的溫度。因此，為了最好地利用散熱器，有必要分散熱源，從而避免熱點(diǎn)的產(chǎn)生。通過推出semix 模塊，semikron提出了一個(gè)新基準(zhǔn)，即功率部件中使用單個(gè)半橋模塊而不是整體集成的六管封裝模塊。

當(dāng)采用強(qiáng)制風(fēng)冷時(shí)，模塊可間隔安裝。由于相應(yīng)的熱傳導(dǎo)效應(yīng)，模塊基板的溫度低得多，從而可以提高輸出功率。圖3示出了熱傳播的正面效應(yīng)，在這個(gè)例子中，如果模塊間隔地安裝在散熱器上，則散熱器最高溫度從96℃降低到91℃。當(dāng)然也可以用集成的六管封裝模塊代替半橋模塊，在這種情況下，如果采用水冷，則可以實(shí)現(xiàn)更高功率密度的緊湊解決方案。

一段時(shí)間以來，有人將研究重點(diǎn)放在開發(fā)新的安裝和連接技術(shù)上面，以適應(yīng)日益增加電流密度的新型芯片的使用。迄今為止，因?yàn)榭煽啃院挽`活性的限制，任何單一的技術(shù)都不能獲得完全成功。此外，新連接技術(shù)的開發(fā)也受更大集成度(驅(qū)動(dòng)電路和無源元件)和模塊芯片雙面散熱技術(shù)的驅(qū)動(dòng)。由于多層電路板、金屬化器件、焊接包甚至曲面電路板的使用[2]連接技術(shù)已經(jīng)取得了巨大進(jìn)步。這些高集成度的技術(shù)在商業(yè)電力電子模塊上的使用只是一個(gè)時(shí)間問題。

圖3 內(nèi)部溫度效應(yīng)輪廓圖

3 產(chǎn)品平臺(tái)開發(fā)

除了上述提到的技術(shù)挑戰(zhàn)以外，在電力電子領(lǐng)域產(chǎn)品平臺(tái)也扮演一個(gè)日益重要的角色。在此所謂的產(chǎn)品平臺(tái)開發(fā)是指基本模塊的開發(fā)，這些基本模塊是開發(fā)或設(shè)計(jì)不同產(chǎn)品系列的平臺(tái)。

例如，當(dāng)我們看到來自同一生產(chǎn)廠家不同汽車模型上相同的汽車引擎和底盤組件時(shí)，可以說汽車行業(yè)是這種“產(chǎn)品平臺(tái)”概念的先行實(shí)施者。我們的客戶在變換器開發(fā)與生產(chǎn)時(shí)也在實(shí)施同樣的戰(zhàn)略，但問題是他們的這種開發(fā)行為沒有得到半導(dǎo)體廠家的足夠支持。

在目前市場上銷售的半導(dǎo)體模塊中，不同的模型和連接技術(shù)方面存在太多的不一致，由此產(chǎn)生的結(jié)果就是客戶基于標(biāo)準(zhǔn)的元件和模塊也很難制造出各種性能一致的變換器系列。
由于semix 產(chǎn)品平臺(tái)的推出，就必須針對(duì)該問題semikron致力于為15-150kw范圍內(nèi)的模塊提供一個(gè)解決方案。

圖4示出了semix 產(chǎn)品平臺(tái)的概念。以基本模塊為基礎(chǔ)，針對(duì)不同的功率范圍、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、集成度以及不同的封裝形式，可以產(chǎn)生不同的模塊版本，從而適時(shí)地滿足特定用戶的需求。

圖4 semix產(chǎn)品平臺(tái)

針對(duì)不同的電流等級(jí)和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，基本模塊自身有四種不同類型的模塊封裝形式。但這四種封裝是建立在同樣的內(nèi)部元器件平臺(tái)基礎(chǔ)上的，也就是說直流環(huán)節(jié)和驅(qū)動(dòng)電路的接口在整個(gè)功率范圍內(nèi)都是一致的。semix的推出使得我們能夠?yàn)檫@種生產(chǎn)前的標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品模塊進(jìn)行備貨，從而使得客戶定制的產(chǎn)品能夠被迅速的生產(chǎn)與交付。

對(duì)變換器設(shè)計(jì)者而言，這意味著量測模塊組件的功率和功能更加簡單，它同時(shí)還能夠降低開發(fā)過程的復(fù)雜性以及所耗費(fèi)的時(shí)間。在此基礎(chǔ)上，滿足客戶定制拓?fù)浜筒?shí)現(xiàn)客戶產(chǎn)品系列的連續(xù)延伸。

市場進(jìn)一步的需求就是功率模塊外設(shè)的優(yōu)化連接。它包括短而適應(yīng)性強(qiáng)的主回路端子以及驅(qū)動(dòng)集成電路的連接。semix平臺(tái)第一次將驅(qū)動(dòng)電路直接安裝在功率模塊上，從而使得連接路徑非常短。

4 結(jié)束語

由于高超的芯片技術(shù)，現(xiàn)代功率半導(dǎo)體相對(duì)于過去幾年的功率半導(dǎo)體而言其電流密度約增加了50%。這種發(fā)展直接提高了對(duì)功率半導(dǎo)體模塊中元件集成度和連接技術(shù)的要求，以及器件散熱的要求。對(duì)于強(qiáng)制風(fēng)冷系統(tǒng)，不利于降低成本的各種限制因素已經(jīng)被克服。

考慮到最優(yōu)正向?qū)〒p耗和高開關(guān)頻率等方面的技術(shù)指標(biāo)，很多現(xiàn)有的芯片技術(shù)都具備和具體應(yīng)用相應(yīng)的優(yōu)勢。隨著semix新型模塊系列的推出，semik- ron能夠提供寬范圍的模塊化產(chǎn)品，這些產(chǎn)品能夠?qū)崿F(xiàn)客戶的特定方案。semix產(chǎn)品系列在今后的幾年中將會(huì)得到持續(xù)的增補(bǔ)和擴(kuò)充。