開關電源轉換器電力電子集成技術分析

電力電子電源設備的制造特點是：非標準件多，設計周期長、成本高、可靠性低、工作量大，而用戶要求制造廠生產(chǎn)的電力電子產(chǎn)品要實用 、可靠性要高，體積重量要小，成本要低。這就使生產(chǎn)廠家承受的壓力很大，迫切需要開展集成電力電子模塊的研究開發(fā)，使電力電子產(chǎn)品標 準化、模塊化，可制造性、規(guī)模生產(chǎn)、降低成本等目標得以實現(xiàn)。

實際上，在電力電子集成技術的發(fā)展進程中，已經(jīng)經(jīng)歷了功率半導體器件的模塊化、功率與控制電路的集成化、無源元件的集成(包括磁集成 技術)等發(fā)展階段。

1)電力電子器件模塊

電力電子電路常常由多個電力電子器件組成，如一個雙向開關至少需要兩個三端器件和兩個二極管組成;考慮到串/并聯(lián)、單相、三相半橋或 全橋開關電路要用幾個，甚至幾十個開關器件和一些輔助器件(如快速二極管)組成。電力電子轉換器的功率電子器件之間的互連線多、寄生電 感大。為了使其結構緊湊、體積小、加工方便，更為了縮短開關器件之間的互連導線，減小電感，電力電子器件必須實現(xiàn)模塊化、集成化。將 若干個功率開關器件和快速二極管組合成標準的電力電子器件模塊(Power Modu1e)，是集成電力電子技術發(fā)展進程中最原始和最簡單的集成化 、模塊化。逆阻(Reverse B1ocking，RB)IGBT的出現(xiàn)，使雙向IGBT開關省去了兩個二極管，有利于組成矩陣轉換器模塊。

但是，電力電子器件模塊僅僅是若干電力電子器件的集成，還沒有與驅動、控制、保護、檢測、通信等功能集成，有待于進一步發(fā)展。

2)智能功率模塊

20世紀80年代開發(fā)了智能電力電子模塊(Inte11igent Power Modu1e，IPM)將電力電子器件與驅動、智能控制、保護、邏輯電路等集成封裝， IPM又稱為智能電力電子集成電路(Smart Power IC)。

近幾年來的發(fā)展方向是將小功率系統(tǒng)集成在一個芯片上(Systemn Chip)，可以使電力電子產(chǎn)品更為緊湊，體積更小，也減小了引線的長度， 從而減小了寄生參數(shù)。在此基礎上，可以實現(xiàn)一體化(A11 in ONe)，將所有元器件連同控制保護集成在一個模塊中。有報道稱，美國有研究人員將小功率異步電動機的運動控制系統(tǒng)(包括逆變器、微處理器、控制保護電路)集成在電動機內，形成傳動控制系統(tǒng)與電動機的 一體化。

3)集成電力電子系統(tǒng)

20世紀90年代，隨著大規(guī)模分布電源系統(tǒng)的發(fā)展，IPM的設計觀念被推廣到更大容量、更高電壓的集成電力電子電路，并提高了集成度，稱為 集成電力電子模塊(IntegratedPower E1ectronics Modu1e，IPEM)。將電力電子器件與電路、控制、以及檢測、執(zhí)行等元器件集成封裝，得到 標準的、可制造的IPEM模塊、既可用于標準設計，又可用于專用特殊設計。優(yōu)點是可以快速高效地為用戶提供產(chǎn)品，顯著降低了成本，提高了 可靠性。

應用了嵌人式電力電子半導體功率器件的多層集成封裝技術，可以把包括散熱板、基板、絕緣傳熱材料、功率母線、電力半導體功率器件、 銅層、陶瓷、集成無源元件、金屬層、表面貼裝芯片(驅動、檢測及保護元件)等封裝在一起。

IPEM模塊的設計，既要考慮到電路的連接，也要考慮到熱流通路和散熱。過去功率半導體器件中芯片互連的傳統(tǒng)方法是鋁絲鍵合法，性能和 可靠性均比較差。電路靠導線連接，增大了寄生電感?，F(xiàn)在IPEM模塊中用噴涂金屬層、表面貼裝金屬層等平面金屬化技術連通電路，可以使寄 生參數(shù)減到最小。