三相超快恢復二極管FRED整流橋開關模塊

　1 引言

　　模塊化結構提高了產品的密集性、安全性和可靠性，同時也可降低裝置的生產成本，縮短新產品進入市場的周期，提高企業(yè)的市場競爭力。由于電路的聯(lián)線已在模塊內部完成，因此，縮短了元器件之間的連線，可實現(xiàn)優(yōu)化布線和對稱性結構的設計，使裝置線路的寄生電感和電容參數(shù)大大降低，有利于實現(xiàn)裝置的高頻化。此外，模塊化結構與同容量分立器件結構相比，還具有體積小、重量輕、結構緊湊、外接線簡單、便于維護和安裝等優(yōu)點，因而大大縮小了裝置的體積，降低裝置的重量和成本，且模塊的主電極端子、控制端子和輔助端子與銅底板之間具有2.5KV以上有效值的絕緣耐壓，使之能與裝置內各種模塊共同安裝在一個接地的散熱器上，有利于裝置體積的進一步縮小，簡化裝置的結構設計。

　　常州瑞華電力電子器件有限公司根據(jù)市場需求，充分利用公司近二十年來專業(yè)生產各類電力半導體模塊的工藝制造技術，設計能力，工藝和測試設備以及生產制造經驗，于2006年開發(fā)出了能滿足VVVF變頻器、高頻逆變焊機、大功率SMPS、UPS、高頻感應加熱電源和伺服電機驅動放大器所需的，現(xiàn)已批量供用戶使用的，“變頻器專用多功能集成模塊”(其型號為MDST)的基礎上，于2008年又開發(fā)出了“三相FRED整流橋開關模塊”(其型號為MFST)，由于這種模塊采用了與普通整流二極管相比具有反向恢復時間(trr)短，反向恢復峰值電流(IRM)小和反向恢復電荷(Qrr)低的FRED，使變頻裝置的噪聲電平降低15分貝(dB)，亦使變頻裝置內抑置或消除EMI干擾的低通濾波電路內的電感和電容尺寸減小，價格下降，使變頻裝置更易符合國內外抗電磁干擾(EMI)標準的要求。

　　2 模塊的結構及特點

　　“三相FRED整流橋開關模塊”是由六個FRED芯片和一個大功率高壓SCR芯片按一定電路聯(lián)成后共同封裝在一個PPS(加有40%玻璃纖維)外殼內制成，模塊內部的電聯(lián)接方式如圖1所示。圖中FD1～FD6為六個FRED芯片，相互聯(lián)成三相整流橋、晶閘管T串接在電橋的正輸出端上。圖2示出了模塊外形結構示意圖，現(xiàn)將圖中的主要結構件的功能和模塊制作過程中與之有關問題及解決辦法分述如下：

　　1) 銅基導熱底板：其功能為DBC基板提供聯(lián)結支撐和導熱通道，并作為整個模塊的結構基礎。因

　　此，它必須具有高導熱性和易焊性。由于它要與DBC基板進行高溫焊接，又因它們之間熱線性膨脹系數(shù)(銅為6.7×10-6/℃,DBC為7.1×10-6/℃)相差較大，因而它們在高溫焊接后，收縮尺寸相差亦很大，易引起焊料的塑性變形，使疲勞加速，最終使模塊損壞。為此，除需采用摻磷、鎂的銅銀合金外，并在焊接前對銅底板要進行一定弧度的預彎，這種尚存一定弧度的焊成品，能在模塊安裝到散熱器上時，使它們之間有充分的接觸，從而降低模塊的接觸熱阻，保證模塊的出力。當然采用熱線性膨脹系數(shù)很接近DBC板的AlSic底板替代銅底板將很好解決這一問題。

　　2)DBC基板：它是在高溫和一定氧氣氛下將氧化鋁(Al2O3)或氮化鋁(AlN)基片與銅箔直接雙面鍵合而成，它具有優(yōu)良的導熱性、絕緣性和易焊性，并有與硅材料較接近的熱線性膨脹系數(shù)(硅：～4.2

　　×10-6/℃，DBC：7.1×10-6/℃)，因而可以與硅芯片直接焊接省去過渡層鉬片，從而簡化模塊焊接工藝和降低熱阻。同時，DBC基板可按功率電路單元要求，像PBC板一樣刻蝕出各式各樣的圖形，以用作電力半導體芯片的焊接襯底、模塊主電路端子和控制端子的焊接支架，它將銅底板和電力半導體芯片相互電氣絕緣，使模塊具有有效值為2.5KV以上的絕緣耐壓。此外，DBC板的固態(tài)銅簿層具有很高電導率和大的載流量，在相同載流下，0.3mm厚的銅簿線寬僅為PCB板的10%。

　　3)電力半導體芯片：超快恢復二極管(FRED)和晶閘管(SCR)芯片的PN結都是玻璃鈍化保護，在模塊制作過程中在PN結上再涂有RTV硅橡膠，并灌封有彈性硅凝膠和環(huán)氧樹脂，這種多層保護使電力半導體器件芯片的性能穩(wěn)定可靠。半導體芯片直接焊在DBC基板上，而芯片正面都焊有經表面處理的鉬片或直接用鋁絲鍵合到DBC板上作為主電極的引出線，而部分聯(lián)線是通過DBC板的刻蝕圖形來實現(xiàn)。根據(jù)三相整流橋電路共陽和共陰的聯(lián)結特點，F(xiàn)RED芯片采用三片是正燒(即芯片正面是陰極、反面是陽極)和三片是反燒(即芯片正面是陽極、反面是陰極)，并利用DBC基板的刻蝕圖形，形成三相整流橋的共陰和共陽公共聯(lián)線，使焊接簡化。同時，所有主電極的引出端子都焊在DBC基板上，這樣使聯(lián)線減少，模塊可靠性提高。

　　4)外殼：殼體采用抗壓、抗拉和絕緣強度高以及熱變溫度高的，并加有40%玻璃纖維的聚苯硫醚(PPS)注塑型材料組成，它能很好地解決與銅底板、主電極之間的熱脹冷縮的匹配問題，通過環(huán)氧樹脂的澆注固化工藝或環(huán)氧板的間隔，實現(xiàn)上下殼體的結構聯(lián)結，以達到較高的防護強度和氣閉密封，并為主電極引出提供支撐。為了保證外殼成形時不形變，必須采取局部加厚和加強筋等措施，并盡可能使各處壁厚一致，以防在成型過程中由于不均勻的凝固和收縮，使厚壁處產生氣泡和變形，嚴重影響外殼質量。

　　3 主要應用領域、功效和技術參數(shù)

　　3.1主要應用領域

　　三相FRED整流橋開關模塊主要用于由大功率高頻開關器件(IGBT、功率MOSFET、IGCT等)制成的，帶中間直流環(huán)節(jié)的變頻裝置內，如VVVF變頻器、UPS、大功率SMPS、高頻逆變焊機、伺服電機驅動放大器和高頻感應加熱裝置等逆變裝置內。圖3和4分別示出了VVVF變頻器和高頻逆變焊機的電原理圖。

　　目前，圖中的D1～D6均采用三相普通整流二極管整流橋模塊，R為充電限流電阻，K為機械接觸器，其作用是對充電限流電阻進行短接。

　　3.2功效

　　用“三相FRED整流橋開關模塊”替代分立的“三相普通整流橋模塊”和機械接觸器，就可達到以下的功效：

　　(1)在變頻電路中，由于開關器件(IGBT、功率MOSFET、IGCT等)和FRED的高速開關，就產生高的di/dt和dv/dt，結合電路的寄生電感和電容，使之產生大量的電磁干擾(Electromagnetic Interference ,EMI),這樣使變頻裝置的輸入端產生較大的共模干擾和差模干擾，從而產生諧波和波形嚴重失真。用FRED替代普通整流二極管(SR)后，由于FRED的反向恢復時間Trr(納秒級)比SR(微秒級)的短得多，而同容量的FRED反向恢復電流IRM只有SR的1/2～1/3，如圖5所示，這樣在10KHZ∽200KHZ頻率范圍內可降低EMI噪聲電平15分貝(db)[4]，因而使抑制或消除EMI干擾的低通濾波器內電感器和電容器尺寸縮小，成本降低，并減少變頻裝置對電網(wǎng)的污染，使其更能符合國內外EMI標準的要求。當然，目前FRED要比SR貴，但從總價以及對某些特殊應用場合(如航天、航空、軍用以及要求空間限制的場合)以及變頻裝置更符合EMI標準要求的角度來說，采用三相FRED整流橋模塊是非常必要的。隨著FRED規(guī)模生產的發(fā)展，成品率的提高，其成本將大幅度降低，本模塊的應用前景廣闊。

　　(2)用晶閘管替代機械接觸器，實現(xiàn)了電力半導體無觸點動力開關的目的，避免了因接觸器帶電弧開關和潮濕或帶粉塵環(huán)境的影響使觸