电力电子器件的模块化与集成化

电源专题

电力电子器件的模块化与集成化

清华大学　　蔡宣三

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、

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。

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。

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

集成化方向发展，其目的是使尺寸紧凑、图１　三相全桥整流模块的外形图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，而保护、控制等功能集成为一体。１　功率模块

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

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。

图３为ＩＧＢＴ模块的几种组合方式［１］。

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。

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（ａ）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。

图４（ｂ）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

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　（ＰｏｗｅｒＩｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）　公司推出的三端离线式ＰＷＭ开关ＴＯＰＳｗｉｔｃｈ　（ＴｈｒｅｅＴｅｒｍｉｎａｌ　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

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。

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

（ａ）　外壳与端子一体化结构

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、２ｉｎ　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

（ｂ）　引线连接结构

图４　ＩＧＢＴ模块的结构示意图

流取样电阻［３］，可测量３５ｋＷ等级逆变器的电流。

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

图６　ＴＯＰ２４２－２５０的功能方块图

装以及集成电力电子封装技术［６］。

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。

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（ＩｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔＰｏｗｅｒ　Ｍｏｄｕｌｅ）是一种混合集成方法，

ＥＰＣ

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。其特点是外围电路简单、成本低廉。

图６中单片集成模块的接线端（引

图７　ＴＯＰ２２０－７Ｃ的外形图

２０世纪８０年代即已开发。日本东芝、富电压为１９Ｖ，输出电压为１．３Ｖ。图５对采用这三种器件所测得的效率进行了比较。

ＣＲ＝１的１号器件优于ＣＲ　＝　１．４的器件。４Ａ电流条件下（在典型的笔记本电脑应用中，这是Ｑ２在大部分时间里处于工作状态的区域）的效率提升幅度为５％。对于这三个被评估的器件，Ｑｇｓ１

（上接第４９页）

器件具有较低的导通电阻Ｒｄｓ－ｏｎ，但是与１号器件相比，其传导损耗的减少并不能抵消因较高的充电比所造成的Ｃｄｖ／ｄｔ损耗的增加。

需要注意的是，本例只关乎旨在阻止Ｃｄｖ／ｄｔ导通的元件选择。栅极驱动电路的设计对Ｃｄｖ／ｄｔ性能的优劣也有着决定性的作用。在研究前文所述的Ｃｄｖ／ｄｔ损耗量化方法的过程中，栅极驱动电路的影响是很重要的，不过，栅极驱动器设计并不在本文的讨论范围之内。

ＥＰＣ

的变化幅度仅为５％，而Ｑｇｄ的变化幅度则超过了４５％。Ｑｇｄ是实现优化器件设计的一个重要参数。尽管２号器件和３号

计的稳压器中的同步ＦＥＴ。转换器输入