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效率需求促进功率模块的开发
作 者:赛米控公司常务董事 Paul Newman

  电气系统中,关于效率,一直存在着成本和规模的压力。如今,考虑这些系统的二氧化碳排放也变得重要了。
  对提升效率的需求,体现在电能的产生和使用两个方面。在电能的产生方面,风力发电系统的市场和功率等级正在不断地增长,对更高离岸电压系统的需求也在增长。太阳能发电正在一些市场获得发展,如德国和西班牙。混合动力汽车只是那些必须尽可能使用电能的复杂系统的一个例子。诸如电气“涡轮增压”的开发将确保该技术不断地发展。
  想象一下,把电力电子与绝大部分电气应用相结合以提供更好的利用是可能的。据估计,全世界由电力电子设备控制的电动机不到总数的8%。采用电力电子设备控制电机,效率可以提高30%,因此这一领域有可能出现显著的市场增长。
  为实现效率方面的最大节约,笔者需要将最好的硅,最好的冷却技术和最佳的控制相结合。这一点将通过软开关技术的改善、谐振变换器、更高的控制频率(即硅片内的频率)以及可简化滤波并减轻重量、体积和成本的较小磁性元件来实现。
  电能质量需要改善,同时对emc的要求比以往任何时候都更严格。标准和审批加上复杂的要求。所有这些需求必须得到满足,而有关开发速度的压力也在不断增加。满足这一需求的最好方法是开发可以形成一个基础平台的产品,该平台可以很容易扩充,以应付不断增长的对功率等级的需求。
  为使控制工作正常,需要良好的信息反馈。必须知道硅片的真实温度——这使得在硅片上集成温度传感器并提供电气隔离反馈变得必不可少。产品在应用中的更进一步优化可以通过热建模实现。这使得“次要”热问题(热串扰,等温线失真和边界效应)及其组合被加以分析,从而可以得到成功的设计和可靠的功率模块。
  封装是另一个将变得更加重要的领域。把更多的组件(不只是硅)集成到功率模块陶瓷基板上的工作已经取得了进展,使得这些组件也可以获得积极降温。这将使实现更高的集成度成为可能,从而显著提高效率和减少尺寸。
  改进的半导体技术已使组件的结构更好,开关速度更快。随着第三代igbt芯片的出现,电流密度可增加 50%。图2显示了过去几十年间,1200v igbt芯片电流密度的增长情况。引起电流密度改善的原因之一是芯片厚度的大幅减少。这样一个发展过程,即芯片厚度的持续减少,在后续芯片中仍将被芯片制造商继续追求。基于现有安装和装配技术的超薄晶圆技术已经达到了它的极限。这一点可从以下事实看出:最新的600v沟道 igbt(芯片厚度为70 μm)的最大允许短路时间,已经不得不从10 μs减少到6 μs。巨大的短路电力浪涌再也不能由薄硅片储存,设计的热阻抗使得热量不能很快地散失掉。
  半导体技术的改善和发展中使得可能获得更高的电流密度,从而提高芯片的温度。2005年,600v igbt和续流二极管的最高允许芯片温度增加了25 ℃,达到175℃,并已经正在迈向200℃。
  更高的运行温度和电流密度对可靠性,尤其是负载循环能力有不良的影响的。为应对这一点,改进安装技术是至关重要的。

图 1 skim是第一款100%无焊接,用于电力和混合动力汽车中22 kw – 150kw机车驱动变换器的igbt模块

图 2 1200 v igbt芯片电流密度的增长情况 (tj = tj max, tc = 80℃)

图 3 有基板和无基板模块之间的对比


  不同功率模块之间的一个根本区别是,它们有无基板。在无基板模块中(图3),dbc底板是直接安装在散热片上。基板,比如由3mm厚的铜制成,增加了热容量和芯片下方的热扩散,从而与那些隔热陶瓷底板为外层板的模块相比,约在0.1s至1s的时间范围内减少了瞬态热阻抗。必须注意的是,绝缘陶瓷底板和基板之间的大面积焊接明显降低组件的负载循环能力。这一现象的原因是因为陶瓷底板和基板有显著不同的热膨胀系数。这种差异导致张力以及最终的焊料疲劳。铜基板的另一种替代品是用诸如alsic 或cumo复合材料制成的基板,由于其低导热性和高成本,这种基板只用在牵引应用中。基于石墨的复合材料由于其低成本,在未来可作为重要的基板材料。
  在实际应用中,无底板模块较低的热扩散能力可由采用更薄的散热涂层来补偿。由于无底板模块中,模块与散热片之间的空气隙较小,因此这种方法是可能的(图4)。

图 4 semix是用于igbt产品系列的封装平台,也可作为整流模块。该驱动器无需焊接,即可安装在模块上

  也可以通过确保模块布局是对称的来提高效率。模块布局的对称保证了电感是平均分布的,并且所有芯片对称地共享等额的电流和开关。再加上平面组装技术的使用和低杂散连接,功率模块通常所伴随的过电压被降低,使得开关效率提升15 %左右。
  碳化硅( sic )正开始侵袭,尤其是在续流二极管和mosfet中 。它已经在开关模式电源中找到了许多应用场合。碳化硅允许200 ℃的结温 。对于组装技术的可靠性和所用材料(塑料)的影响必须被监视。sic的开关速度非常快,并提供良好受控和定义的输出。当与最新一代igbt产品配合使用时,系统的效率会提高百分之二十至三十。然而,它仍然非常昂贵,在被广泛应用之前还需要进一步的开发。
  因此可以说,功率半导体在用于电能传输和转换的电子工业中是非常重要的。功率半导体的新兴市场是替代能源领域和汽车工业。标记功率半导体发展的最重要的趋势是冷却技术的改善、较高的电流密度以及集成驱动器电子产品。在可靠性费用方面,更高的运行温度和更好的冷却是唯一可行的。对付这个问题的唯一办法是开发新的安装和装配的概念。

[我要评论] | 本文来自:2008年第2期“国际电力电子技术”上 ,已经被阅读过83270
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