开关电源转换器电力电子集成技术探究

来源:未知  发布时间:2013-08-29 20:14  Tags:开关电源 转换器 电子集成 
电力电子电源设备的制造特点是:非标准件多,设计周期长、成本高、可靠性低、工作量大,而用户要求制造厂生产的电力电子产品要实用、可靠性要高,体积重量要小,成本要低。这就使生产厂家承受的压力很大,迫切需要开展集成电力电子模块的研究开发,使电力电...

电力电子电源设备的制造特点是:非标准件多,设计周期长、成本高、可靠性低、工作量大,而用户要求制造厂生产的电力电子产品要实用、可靠性要高,体积重量要小,成本要低。这就使生产厂家承受的压力很大,迫切需要开展集成电力电子模块的研究开发,使电力电子产品标准化、模块化,可制造性、规模生产、降低成本等目标得以实现。

实际上,在电力电子集成技术的发展进程中,已经经历了功率半导体器件的模块化、功率与控制电路的集成化、无源元件的集成(包括磁集成技术)等发展阶段。

1)电力电子器件模块

电力电子电路常常由多个电力电子器件组成,如一个双向开关至少需要两个三端器件和两个二极管组成;考虑到串/并联、单相、三相半桥或全桥开关电路要用几个,甚至几十个开关器件和一些辅助器件(如快速二极管)组成。电力电子转换器的功率电子器件之间的互连线多、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之间的互连导线,减小电感,电力电子器件必须实现模块化、集成化。将若干个功率开关器件和快速二极管组合成标准的电力电子器件模块(PowerModu1e),是集成电力电子技术发展进程中最原始和最简单的集成化、模块化。逆阻(ReverseB1ocking,RB)IGBT的出现,使双向IGBT开关省去了两个二极管,有利于组成矩阵转换器模块。

但是,电力电子器件模块仅仅是若干电力电子器件的集成,还没有与驱动、控制、保护、检测、通信等功能集成,有待于进一步发展。

2)智能功率模块

20世纪80年代开发了智能电力电子模块(Inte11igentPowerModu1e,IPM)将电力电子器件与驱动、智能控制、保护、逻辑电路等集成封装,IPM又称为智能电力电子集成电路(SmartPowerIC)。

近几年来的发展方向是将小功率系统集成在一个芯片上(SystemnChip),可以使电力电子产品更为紧凑,体积更小,也减小了引线的长度,从而减小了寄生参数。在此基础上,可以实现一体化(A11inONe),将所有元器件连同控制保护集成在一个模块中。有报道称,美国有研究人员将小功率异步电动机的运动控制系统(包括逆变器、微处理器、控制保护电路)集成在电动机内,形成传动控制系统与电动机的一体化。

3)集成电力电子系统

20世纪90年代,随着大规模分布电源系统的发展,IPM的设计观念被推广到更大容量、更高电压的集成电力电子电路,并提高了集成度,称为集成电力电子模块(IntegratedPowerE1ectronicsModu1e,IPEM)。将电力电子器件与电路、控制、以及检测、执行等元器件集成封装,得到标准的、可制造的IPEM模块、既可用于标准设计,又可用于专用特殊设计。优点是可以快速高效地为用户提供产品,显着降低了成本,提高了可靠性。

应用了嵌人式电力电子半导体功率器件的多层集成封装技术,可以把包括散热板、基板、绝缘传热材料、功率母线、电力半导体功率器件、铜层、陶瓷、集成无源元件、金属层、表面贴装芯片(驱动、检测及保护元件)等封装在一起。
IPEM模块的设计,既要考虑到电路的连接,也要考虑到热流通路和散热。过去功率半导体器件中芯片互连的传统方法是铝丝键合法,性能和可靠性均比较差。电路靠导线连接,增大了寄生电感。现在IPEM模块中用喷涂金属层、表面贴装金属层等平面金属化技术连通电路,可以使寄生参数减到最小。