电力半导体模块新趋势

发布于：2007/6/13 8:41:41 | 329 次阅读

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      摘要：

      简要叙述了电力半导体模块的发展过程，介绍了晶闸管智能模块的结构和特性，描述了IGBT智能模块的现状和发展趋势，指出了我国大力发展IPEM的必要性。
关键词：电力半导体模块；智能晶闸管模块；IGBT模块；IGBT智能模块

      引言

      一种新型器件的诞生往往使整个装置系统面貌发生巨大改观，促进电力电子技术向前发展。自1957年个晶闸管问世以来，经过40多年的开发和研究，已推出可关断晶闸管（GTO），绝缘栅双极晶体管（IGBT）等40多种电力半导体器件，目前正沿着高频化、大功率化、智能化和模块化的方向发展，本文将简要介绍模块化发展趋势。

      所谓模块，最初定义是把两个或两个以上的电力半导体芯片按一定电路联成，用RTV、弹性硅凝胶、环氧树脂等保护材料，密封在一个绝缘的外壳内，并与导热底板绝缘而成。自上世纪70年代Semikron Nurmbeg把模块原理（当时仅限于晶闸管和整流二极管）引入电力电子技术领域以来，因此模块化就受到世界各国电力半导体公司的重视，开发和生产出各种内部电联接形式的电力半导体模块，如晶闸管、整流二极管、双向晶闸管、逆导晶闸管、光控晶闸管、可关断晶闸管、电力晶体管（GTR）、MOS可控晶闸管（MCT）、电力MOSFET以及绝缘栅双极型晶体管（IGBT）等模块，使模块技术得到蓬勃发展，在器件中所占比例越来越大。

     据美国在上世纪90年代初统计，在过去十几年内，300A以下的分立晶闸管、整流二极管以及20A以上达林顿晶体管市场占有量已由90%降到20%，而上述器件的模块却由10%上升到80%，可见模块发展之快。

     随着MOS结构为基础的现代半导体器件研发的成功，亦即用电压控制、驱动功率小、控制简单的IGBT、电力MOSFET、MOS控制晶闸管（MCT）和MOC控制整流管（MCD）的出现，开发出把器件芯片与控制电路、驱动电路、过压、过流、过热和欠压保护电路以及自诊断电路组合，并密封在同一绝缘外壳内的智能化电力半导体模块，即IPM。

     为了更进一步提高系统的可靠性，适应电力电子技术向高频化、小型化、模块化发展方向，有些制造商在IPM的基础上，增加一些逆变器的功能，将逆变器电路（IC）的所有器件都以芯片形式封装在一个模块内，成为用户专用电力模块（ASPM），使之不再有传统引线相连，而内部连线采用超声焊、热压焊或压接方式相连，使寄生电感降到最小，有利于装置高频化。一台7.5KW的电机变频装置，其中ASPM只有600×400×250（mm）那么大，而可喜的是，这种用户专用电力模块可按应用电路的不同而进行二次设计，有很大的应用灵活性。但在技术上要把逻辑电平为几伏、几毫安的集成电路IC与几百安、几千伏的电力半导体器件集成在同一芯片上是非常困难的。虽然目前已有1.5KW以下的ASPM出售，但要做大功率的ASPM，还需要解决一系列的问题，因此迫使人们采用混合封装形式来制造适用于各种场合的集成电力电子模块（IPEM），IPEM为新世纪电力电子技术的发展开了新途径。

      智能晶闸管模块

     晶闸管和整流二极管模块主要指各种电联接的桥臂模块和单相整流桥模块，晶闸管模块经过近30年的开发和生产，目前制造这种系列模块的技术已相当成熟，生产成品率也相当高，使用亦很普遍和成熟，已成为电力调控的重要器件，因此这里不再介绍。

      晶闸管智能模块就是ITPM（Intelligent thyristor power module）把晶闸管主电路与移相触发系统以及过电流、过电压保护传感器共同封闭在一个塑料外壳内制成。由于晶闸管是电流控制型电力半导体器件，所以需要较大的脉冲触发功率才能驱动晶闸管，又加其它一些辅助电路的元器件，如同步电流的同步变压器等体积庞大，很难使移相触发系统与晶闸管主电路以及传感器等封装在同一外壳内制成晶闸管智能模块。因此，世界上一直没有摆脱将晶闸管器件与门极触发系统分立制作的传统形式。

     山东淄博临淄银河高技术开发有限公司，经多年的开发研究，解决了同步元器件微型化问题，使之适合集成应用之后，继而解决了提高信号幅度、抗干扰、高压隔离和同步信号输入等问题，并研制开发出高密度的功率脉冲变压器和多路高速大电流IC，以及两种适合集成模块专用IC。在采用了导热、绝缘性能良好的DCB板、钼铜板，具有良好电绝缘和保护性能和良好热传导作用的弹性硅凝胶等特殊材料后，开发出多种具有各种功能的晶闸管智能模块，如三相、单相集成移相调控晶闸管智能交流开关模块，带过零触发电路的三相、单相交流开关模块等。

     晶闸管智能三相桥模块的内部接线图（a）及其它外形照片（b），还有晶闸管智能电机控制模块，解决了一直未能实现的晶闸管主电路与移相触发系统以及保护取样传感器共同封装在一个塑料外壳内的难题。临淄银河公司研制出模块工作线电流为1600A（RMS），额定工作电压为380V和600V，已用于交流变频、交直流电气传动以及三相交流固态开关和恒压、恒流电源等领域。

     IGBT智能模块

    上世纪80年代初，IGBT器件的研制成功以及随后其额定参数的不断提高和改进，为高频、较大功率应用范围的发展起到了重要作用，由于IGBT模块具有电压型驱动，驱动功率小，开关速度高，饱和压降低和可耐高电压和大电流等一系列应用上的优点，表现出很好的综合性能，已成为当前在工业领域应用最广泛的电力半导体器件。其硬开关频率达25KHz，软开关频率可达100KHz。而新研制成的霹雳型（Thunderbolt）型IGBT，其硬开关频率可达150KHz，谐振逆变软开关电路中可达300KHz。

     目前，IGBT封装形式主要有塑料单管和底板与各主电路相互绝缘的模块形式，大功率IGBT模块亦有平板压接形式。由于模块封闭形式对设计散热器极为方便，因此，各大器件公司广泛采用。另一方面，IGBT模块生产工艺复杂，制造过程中要做十几次精细的光刻套刻，并经相应次数的高温加工，因此要制造大面积即大电流的IGBT单片，其成品率将大大降低。可是，IGBT的MOS特性，使其更易并联，所以模块封装形式更适合于制造大电流IGBT。起初由于IGBT要用高阻外延片技术，电压很难突破，因为要制造这样高压的IGBT，外延厚度就要超过微米，这在技术上很难，且几乎不能实用化。

     1996年日本多家公司采用<110>晶面的高阻硅单晶制造IGBT器件，硅片厚度超过300微米，使单片机IGBT的耐压超过2.5KV，因此，同年东芝公司推出的1000A/2500V平板压接式IGBT器件就是由24个80A/2500V的芯并联组成。

     1998年ABB公司采用在阳极侧透明（Transparent）P+发射层和N-层缓冲层结构，使IGBT模块的耐压高达4.5KV，而该公司同年研发成的1200A/3300V的IGBT模块就是由20个IGBT芯片和12个FWD芯片并联制成。此后，非穿通（NPT）和软穿通（SPT）结构IGBT的试制成功，使IGBT器件具有正电阻温度系数，更易于并联，这为高电压、大电流IGBT模块的制造只需并联无需串联创造了技术基础。目前，已能批量生产一单元、二单元、四单元、六单元和七单元的IGBT标准型模块，其水平已达1800A/4500V。图2为300A/1700V IGBT模块的电路图，它是由4个160A/1700V IGBT芯片和8个100A/1700V快恢复二极管组成。
　
    但是随着模块频率的提高和功率的增大，内部寄生电感较大的一般IGBT模块结构，已不能适应应用的需要。为了降低模块内部的装配寄生电感，使器件在开关时产生的过电压最小，以适应调频大功率IGBT模块封装的需要，ABB公司开发出一种如图3所示的平面式低电感模块（ELIP）的新结构，该结构与一般传统结构的主要区别在于：（1）它采用很多宽而簿的铜片重叠形成发射极端子和集电极端子，安装时与模块铜底板平行，并采用等长平行导线直接从IGBT发射极连到发射极端子上，而集电极端子则连到DBC板空间位置上，从而消除了互感，限制了邻近效应，降低了内部寄生电感量；（2）许多并联的IGBT和FWD芯片都焊在无图形的DBC板上，且IGBT的发射极和FWD的阳极上焊有钼缓冲片，IGBT的栅极与栅极均流电阻铝丝键合相连，这样使芯片间的电流分布和整流电压条件一致，有利于模块芯片能在相同温度下工作，大大提高了模块出力和可靠性；（3）模块采用堆积式设计，把上下绝缘层、上下电极端子以及印制电路板相互叠放，并用粘合胶粘合在一起（粘合时要避免气泡），能很好地随温度循环，无需考虑所谓焊应应力，即所谓的电极“S”形设计。

      由于MOS结构的IGBT是电压驱动的，因此驱动功率小，并可用IC来实现驱动和控制，进而发展到把IGBT芯片、快速二极管芯片、控制和驱动电路、过压、过流、过热和欠压保护电路、箝位电路以及自诊断电路等封装在同一绝缘外壳内的智能化IGBT模块（IPM），它为电力电子逆变器的高频化、小型化、高可靠性和高性能创造了器件基础，亦使整机设计更简化，整机的设计、开发和制造成本降低，缩短整机产品的上市时间。由于IPM均采用标准化的具有逻辑电平的栅控接口，使IPM能很方便与控制电路板连接。IPM在故障情况下的自保护能力，降低了器件在开发和使用的损坏，大大提高了整机的可靠性

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