電力電子領(lǐng)域開發(fā)新產(chǎn)品和新技術(shù)的驅(qū)動力量來自于市場日益增長的對更高功率密度、更大系統(tǒng)集成度、堅(jiān)固耐用性以及更高可靠性的需求。 同時隨之而來的是市場對產(chǎn)品低成本、標(biāo)準(zhǔn)化接口、靈活可擴(kuò)展以及模塊化的需求。 在過去的幾年中，電力電子領(lǐng)域關(guān)注的焦點(diǎn)多集中在定位于特定目標(biāo)市場的新型大功率集成電路的研究與開發(fā)及其更新?lián)Q代上。這樣不僅導(dǎo)致了標(biāo)準(zhǔn)IGBT模塊的產(chǎn)生，而且也出現(xiàn)了一些經(jīng)過優(yōu)化滿足特定客戶需求的特殊類型的模塊。低損耗系列模塊因?yàn)榻档土送☉B(tài)壓降而得到優(yōu)化，然而因?yàn)樗拈_關(guān)損耗非常高，則只有在開關(guān)頻率較低的應(yīng)用場合使用這種模塊才有意義。與此對應(yīng)，業(yè)界也開發(fā)了應(yīng)用在高開關(guān)頻率領(lǐng)域的超快速模塊。由于較小的尾電流，這些IGBT模塊都是諧振開關(guān)變換器的理想選擇。除此之外，在不改模塊體積的情況下新一代功率集成模塊都具備更高的功率密度和效率。新型的溝道IGBT和軟穿通型IGBT就是該方向今后研發(fā)的重點(diǎn)，從而進(jìn)一步增加了可選用模塊選件的范圍。 現(xiàn)今最新一代的溝道IGBT和軸向載流子壽命控制續(xù)流二極管構(gòu)成的模塊電流密度達(dá)到200A 所/cm2（圖1）。如此高的電流密度使得現(xiàn)有的封裝尺寸效率更高，也就是說現(xiàn)有的電流等級所需要的芯片面積會逐漸減小。例如1999年SEMIKRON 最大的1200V半橋模塊額定電流是400A，而今同樣的封裝卻能提供600A的電流。由于功率密度的持續(xù)提高，生產(chǎn)廠商和功率模塊用戶都經(jīng)常面臨新的挑戰(zhàn)。 一段時間以來，功率變換器的體積已經(jīng)不再取決于功率半導(dǎo)體模塊的尺寸，而是由無源元件如電容、電感和濾波器等決定的。這種現(xiàn)象在小功率驅(qū)動器上尤其如此，這一點(diǎn)可以從（1）ECPE（歐洲電力電子中心）的一項(xiàng)研究報告中看出來。對于2.2kW范圍以下的現(xiàn)代驅(qū)動器，功率半導(dǎo)體模塊封裝只占整個設(shè)備體積的6%，這和電纜端子所占的體積大致相當(dāng)，直流環(huán)節(jié)的電容組約占12%的體積，是功率器件的兩倍，而其中所占空間最大的部件就是控制電路板（約占23%的體積），因?yàn)樗粌H包含驅(qū)動和控制電路，還包含供電單元和EMI濾波器（圖2）。這樣一種趨勢也在向大功率變換系統(tǒng)上延伸。電力電子器件變得越來越小，而無源元件、電纜和主回路接線端子等的體積卻基本不變。 如今功率器件的尺寸不再取決于半導(dǎo)體芯片所占用的面積，而是取決于主回路端子。因此人們期望減小電力電子模塊的體積從而降低成本并達(dá)到象芯片尺寸減小那樣的程度是不現(xiàn)實(shí)的。而且在存在振動的場合，大的電纜橫截面和直流母線排都會對模塊產(chǎn)生比較大的應(yīng)力，這些因素甚至?xí)B接元件的可靠性產(chǎn)生負(fù)作用。因此，在設(shè)計(jì)功率變換器時消除應(yīng)力的元件以及直流電路環(huán)節(jié)額外的機(jī)械加固元件也扮演著重要的角色。 半導(dǎo)體模塊中日益增加的功率密度給用戶帶來越來越多的散熱問題。當(dāng)功率保持不變時，模塊體積越來越小，單位體積功率模塊的功率損耗值就逐漸增加，這就對散熱器提出了更高的要求。 在強(qiáng)制風(fēng)冷系統(tǒng)中，因?yàn)榭煽啃缘木壒?，通常不大可能利用到模塊的最大功率，因?yàn)槲覀儾⒉唤ㄗh用戶增加散熱器的溫度。因此，為了最好地利用散熱器，有必要分散熱源，從而避免熱點(diǎn)的產(chǎn)生。通過推出SEMiX®模塊，SEMIKRON提出了一個新基準(zhǔn)，即功率部件中使用單個半橋模塊而不是整體集成的六管封裝模塊。 當(dāng)采用強(qiáng)制風(fēng)冷時，模塊可間隔安裝。由于相應(yīng)的熱傳導(dǎo)效應(yīng)，模塊基板的溫度低得多，從而可以提高輸出功率。圖3示出了熱傳播的正面效應(yīng)，在這個例子中，如果模塊間隔地安裝在散熱器上，則散熱器最高溫度從96°C降低到91°C。當(dāng)然也可以用集成的六管封裝模塊代替半橋模塊，在這種情況下，如果采用水冷，則可以實(shí)現(xiàn)更高功率密度的緊湊解決方案。 一段時間以來，有人將研究重點(diǎn)放在開發(fā)新的安裝和連接技術(shù)上面，以適應(yīng)日益增加電流密度的新型芯片的使用。迄今為止，因?yàn)榭煽啃院挽`活性的限制任何單一的技術(shù)都不能獲得完全成功。此外，新連接技術(shù)的開發(fā)也受更大集成度（驅(qū)動電路和無源元件）和模塊芯片雙面散熱技術(shù)的驅(qū)動。由于多層電路板、金屬化器件、焊接包甚至曲面電路板的使用（2）連接技術(shù)已經(jīng)取得了巨大進(jìn)步。這些高集成度的技術(shù)在商業(yè)電力電子模塊上的使用只是一個時間問題。 產(chǎn)品平臺開發(fā) 除了上述提到的技術(shù)挑戰(zhàn)以外，在電力電子領(lǐng)域產(chǎn)品平臺也扮演一個日益重要的角色。在此所謂的產(chǎn)品平臺開發(fā)是指基本模塊的開發(fā)，這些基本模塊是開發(fā)或設(shè)計(jì)不同產(chǎn)品系列的平臺。 例如，當(dāng)我們看到來自同一生產(chǎn)廠家不同汽車模型上相同的汽車引擎和底盤組件時，可以說汽車行業(yè)是這種“產(chǎn)品平臺”概念的先行實(shí)施者。我們的客戶在變換器開發(fā)與生產(chǎn)時也在實(shí)施同樣的戰(zhàn)略，但問題是他們的這種開發(fā)行為沒有得到半導(dǎo)體廠家的足夠支持。 在目前市場上銷售的半導(dǎo)體模塊中，不同的模型和連接技術(shù)方面存在太多的不一致，由此產(chǎn)生的結(jié)果就是客戶基于標(biāo)準(zhǔn)的元件和模塊也很難制造出各種性能一致的變換器系列。 由于SEMiX®產(chǎn)品平臺的推出，針對該問題SEMIKRON致力于為15-150kW范圍內(nèi)的模塊提供一個解決方案。 圖4示意了SEMiX®產(chǎn)品平臺的概念。以基本模塊為基礎(chǔ)，針對不同的功率范圍、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、集成度以及不同的封裝形式，可以產(chǎn)生不同的模塊版本，從而適時地滿足特定用戶的需求。 針對不同的電流等級和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，基本模塊自身有四種不同類型的模塊封裝形式。但這四種封裝是建立在同樣的內(nèi)部元器件平臺基礎(chǔ)上的，也就是說直流環(huán)節(jié)和驅(qū)動電路的接口在整個功率范圍內(nèi)都是一致的。SEMiX的推出使得我們能夠?yàn)檫@種生產(chǎn)前的標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品模塊進(jìn)行備貨，從而使得客戶定制的產(chǎn)品能夠被迅速的生產(chǎn)與交付。 對變換器設(shè)計(jì)者而言，這意味著量測模塊組件的功率和功能更加簡單，它同時還能夠降低開發(fā)過程的復(fù)雜性以及所耗費(fèi)的時間。在此基礎(chǔ)上，滿足客戶定制拓?fù)浜筒?shí)現(xiàn)客戶產(chǎn)品系列的連續(xù)延伸。 市場進(jìn)一步的需求就是功率模塊外設(shè)的優(yōu)化連接。它包括短而適應(yīng)性強(qiáng)的主回路端子以及驅(qū)動集成電路的連接。SEMiX平臺第一次將驅(qū)動電路直接安裝在功率模塊上，從而使得連接路徑非常短。 結(jié)論 由于高超的芯片技術(shù)，現(xiàn)代功率半導(dǎo)體相對于過去幾年的功率半導(dǎo)體而言其電流密度約增加了50%。這種發(fā)展直接提高了對功率半導(dǎo)體模塊中元件集成度和連接技術(shù)的要求，以及器件散熱的要求。對于強(qiáng)制風(fēng)冷系統(tǒng)，不利于降低成本的各種限制因素已經(jīng)被克服。 考慮到最優(yōu)正向?qū)〒p耗和高開關(guān)頻率等方面的技術(shù)指標(biāo)，很多現(xiàn)有的芯片技術(shù)都具備和具體應(yīng)用相應(yīng)的優(yōu)勢。隨著SEMIX新型模塊系列的推出，SEMIKRON能夠提供寬范圍的模塊化產(chǎn)品，這些產(chǎn)品能夠?qū)崿F(xiàn)客戶的特定方案。SEMIX產(chǎn)品系列在今后的幾年中將會得到持續(xù)的增補(bǔ)和擴(kuò)充。 參考文獻(xiàn)： （1）Technology Study on Industrial Drives, 2004, ECPE （2） Flip-Chip Flex-Circuit Packaging for Power Electronics, Y. Xiao et al., CPES, ISPSD 2001