一種新型器件的誕生往往使整個(gè)裝置系統(tǒng)面貌發(fā)生巨大改觀，促進(jìn)電力電子技術(shù)向前發(fā)展。自1957年第一個(gè)晶閘管問(wèn)世以來(lái)，經(jīng)過(guò)40多年的開(kāi)發(fā)和研究，已推出可關(guān)斷晶閘管(GTO)，絕緣柵雙極晶體管(IGBT)等40多種電力半導(dǎo)體器件，目前正沿著高頻化、大功率化、智能化和模塊化的方向發(fā)展，本文將簡(jiǎn)要介紹模塊化發(fā)展趨勢(shì)。

　　所謂模塊，最初定義是把兩個(gè)或兩個(gè)以上的電力半導(dǎo)體芯片按一定電路聯(lián)成，用RTV、彈性硅凝膠、環(huán)氧樹(shù)脂等保護(hù)材料，密封在一個(gè)絕緣的外殼內(nèi)，并與導(dǎo)熱底板絕緣而成。自上世紀(jì)70年代Semikron Nurmbeg把模塊原理(當(dāng)時(shí)僅限于晶閘管和整流二極管)引入電力電子技術(shù)領(lǐng)域以來(lái)，因此模塊化就受到世界各國(guó)電力半導(dǎo)體公司的重視，開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)出各種內(nèi)部電聯(lián)接形式的電力半導(dǎo)體模塊，如晶閘管、整流二極管、雙向晶閘管、逆導(dǎo)晶閘管、光控晶閘管、可關(guān)斷晶閘管、電力晶體管(GTR)、MOS可控晶閘管(MCT)、電力MOSFET以及絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)等模塊，使模塊技術(shù)得到蓬勃發(fā)展，在器件中所占比例越來(lái)越大。

　　據(jù)美國(guó)在上世紀(jì)90年代初統(tǒng)計(jì)，在過(guò)去十幾年內(nèi)，300A以下的分立晶閘管、整流二極管以及20A以上達(dá)林頓晶體管市場(chǎng)占有量已由90%降到20%，而上述器件的模塊卻由10%上升到80%，可見(jiàn)模塊發(fā)展之快。

　　隨著MOS結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)的現(xiàn)代半導(dǎo)體器件研發(fā)的成功，亦即用電壓控制、驅(qū)動(dòng)功率小、控制簡(jiǎn)單的IGBT、電力MOSFET、MOS控制晶閘管(MCT)和MOC控制整流管(MCD)的出現(xiàn)，開(kāi)發(fā)出把器件芯片與控制電路、驅(qū)動(dòng)電路、過(guò)壓、過(guò)流、過(guò)熱和欠壓保護(hù)電路以及自診斷電路組合，并密封在同一絕緣外殼內(nèi)的智能化電力半導(dǎo)體模塊，即IPM。

　　為了更進(jìn)一步提高系統(tǒng)的可靠性，適應(yīng)電力電子技術(shù)向高頻化、小型化、模塊化發(fā)展方向，有些制造商在IPM的基礎(chǔ)上，增加一些逆變器的功能，將逆變器電路(IC)的所有器件都以芯片形式封裝在一個(gè)模塊內(nèi)，成為用戶專用電力模塊(ASPM)，使之不再有傳統(tǒng)引線相連，而內(nèi)部連線采用超聲焊、熱壓焊或壓接方式相連，使寄生電感降到最小，有利于裝置高頻化。一臺(tái)7.5KW的電機(jī)變頻裝置，其中ASPM只有600×400×250(mm)那么大，而可喜的是，這種用戶專用電力模塊可按應(yīng)用電路的不同而進(jìn)行二次設(shè)計(jì)，有很大的應(yīng)用靈活性。但在技術(shù)上要把邏輯電平為幾伏、幾毫安的集成電路IC與幾百安、幾千伏的電力半導(dǎo)體器件集成在同一芯片上是非常困難的。雖然目前已有1.5KW以下的ASPM出售，但要做大功率的ASPM，還需要解決一系列的問(wèn)題，因此迫使人們采用混合封裝形式來(lái)制造適用于各種場(chǎng)合的集成電力電子模塊(IPEM)，IPEM為新世紀(jì)電力電子技術(shù)的發(fā)展開(kāi)了新途徑。

　　智能晶閘管模塊

　　晶閘管和整流二極管模塊主要指各種電聯(lián)接的橋臂模塊和單相整流橋模塊，晶閘管模塊經(jīng)過(guò)近30年的開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)，目前制造這種系列模塊的技術(shù)已相當(dāng)成熟，生產(chǎn)成品率也相當(dāng)高，使用亦很普遍和成熟，已成為電力調(diào)控的重要器件，因此這里不再介紹。

　　晶閘管智能模塊就是ITPM(Intelligent thyristor power module)把晶閘管主電路與移相觸發(fā)系統(tǒng)以及過(guò)電流、過(guò)電壓保護(hù)傳感器共同封閉在一個(gè)塑料外殼內(nèi)制成。由于晶閘管是電流控制型電力半導(dǎo)體器件，所以需要較大的脈沖觸發(fā)功率才能驅(qū)動(dòng)晶閘管，又加其它一些輔助電路的元器件，如同步電流的同步變壓器等體積龐大，很難使移相觸發(fā)系統(tǒng)與晶閘管主電路以及傳感器等封裝在同一外殼內(nèi)制成晶閘管智能模塊。因此，世界上一直沒(méi)有擺脫將晶閘管器件與門極觸發(fā)系統(tǒng)分立制作的傳統(tǒng)形式。

　　山東淄博臨淄銀河高技術(shù)開(kāi)發(fā)有限公司，經(jīng)多年的開(kāi)發(fā)研究，解決了同步元器件微型化問(wèn)題，使之適合集成應(yīng)用之后，繼而解決了提高信號(hào)幅度、抗干擾、高壓隔離和同步信號(hào)輸入等問(wèn)題，并研制開(kāi)發(fā)出高密度的功率脈沖變壓器和多路高速大電流IC，以及兩種適合集成模塊專用IC。在采用了導(dǎo)熱、絕緣性能良好的DCB板、鉬銅板，具有良好電絕緣和保護(hù)性能和良好熱傳導(dǎo)作用的彈性硅凝膠等特殊材料后，開(kāi)發(fā)出多種具有各種功能的晶閘管智能模塊，如三相、單相集成移相調(diào)控晶閘管智能交流開(kāi)關(guān)模塊，帶過(guò)零觸發(fā)電路的三相、單相交流開(kāi)關(guān)模塊等。

　　圖1為晶閘管智能三相橋模塊的內(nèi)部接線圖(a)及其它外形照片(b)，還有晶閘管智能電機(jī)控制模塊，解決了一直未能實(shí)現(xiàn)的晶閘管主電路與移相觸發(fā)系統(tǒng)以及保護(hù)取樣傳感器共同封裝在一個(gè)塑料外殼內(nèi)的難題。臨淄銀河公司研制出模塊最大工作線電流為1600A(RMS)，額定工作電壓為380V和600V，已用于交流變頻、交直流電氣傳動(dòng)以及三相交流固態(tài)開(kāi)關(guān)和恒壓、恒流電源等領(lǐng)域。

圖1

　　IGBT智能模塊

　　上世紀(jì)80年代初，IGBT器件的研制成功以及隨后其額定參數(shù)的不斷提高和改進(jìn)，為高頻、較大功率應(yīng)用范圍的發(fā)展起到了重要作用，由于IGBT模塊具有電壓型驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)功率小，開(kāi)關(guān)速度高，飽和壓降低和可耐高電壓和大電流等一系列應(yīng)用上的優(yōu)點(diǎn)，表現(xiàn)出很好的綜合性能，已成為當(dāng)前在工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛的電力半導(dǎo)體器件。其硬開(kāi)關(guān)頻率達(dá)25KHz，軟開(kāi)關(guān)頻率可達(dá)100KHz。而新研制成的霹靂型(Thunderbolt)型IGBT，其硬開(kāi)關(guān)頻率可達(dá)150KHz，諧振逆變軟開(kāi)關(guān)電路中可達(dá)300KHz。

　　目前，IGBT封裝形式主要有塑料單管和底板與各主電路相互絕緣的模塊形式，大功率IGBT模塊亦有平板壓接形式。由于模塊封閉形式對(duì)設(shè)計(jì)散熱器極為方便，因此，各大器件公司廣泛采用。另一方面，IGBT模塊生產(chǎn)工藝復(fù)雜，制造過(guò)程中要做十幾次精細(xì)的光刻套刻，并經(jīng)相應(yīng)次數(shù)的高溫加工，因此要制造大面積即大電流的IGBT單片，其成品率將大大降低?？墒牵琁GBT的MOS特性，使其更易并聯(lián)，所以模塊封裝形式更適合于制造大電流IGBT。起初由于IGBT要用高阻外延片技術(shù)，電壓很難突破，因?yàn)橐圃爝@樣高壓的IGBT，外延厚度就要超過(guò)微米，這在技術(shù)上很難，且?guī)缀醪荒軐?shí)用化。

　　1996年日本多家公司采用<110>晶面的高阻硅單晶制造IGBT器件，硅片厚度超過(guò)300微米，使單片機(jī)IGBT的耐壓超過(guò)2.5KV，因此，同年?yáng)|芝公司推出的1000A/2500V平板壓接式IGBT器件就是由24個(gè)80A/2500V的芯并聯(lián)組成。

　　1998年ABB公司采用在陽(yáng)極側(cè)透明(Transparent)P+發(fā)射層和N-層緩沖層結(jié)構(gòu)，使IGBT模塊的耐壓高達(dá)4.5KV，而該公司同年研發(fā)成的1200A/3300V的IGBT模塊就是由20個(gè)IGBT芯片和12個(gè)FWD芯片并聯(lián)制成。此后，非穿通(NPT)和軟穿通(SPT)結(jié)構(gòu)IGBT的試制成功，使IGBT器件具有正電阻溫度系數(shù)，更易于并聯(lián)，這為高電壓、大電流IGBT模塊的制造只需并聯(lián)無(wú)需串聯(lián)創(chuàng)造了技術(shù)基礎(chǔ)。目前，已能批量生產(chǎn)一單元、二單元、四單元、六單元和七單元的IGBT標(biāo)準(zhǔn)型模塊，其最高水平已達(dá)1800A/4500V。圖2為300A/1700V IGBT模塊的電路圖，它是由4個(gè)160A/1700V IGBT芯片和8個(gè)100A/1700V快恢復(fù)二極管組成。

圖2

圖3

　　但是隨著模塊頻率的提高和功率的增大，內(nèi)部寄生電感較大的一般IGBT模塊結(jié)構(gòu)，已不能適應(yīng)應(yīng)用的需要。為了降低模塊內(nèi)部的裝配寄生電感，使器件在開(kāi)關(guān)時(shí)產(chǎn)生的過(guò)電壓最小，以適應(yīng)調(diào)頻大功率IGBT模塊封裝的需要，ABB公司開(kāi)發(fā)出一種如圖3所示的平面式低電感模塊(ELIP)的新結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)與一般傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的主要區(qū)別在于：(1)它采用很多寬而簿的銅片重疊形成發(fā)射極端子和集電極端子，安裝時(shí)與模塊銅底板平行，并采用等長(zhǎng)平行導(dǎo)線直接從IGBT發(fā)射極連到發(fā)射極端子上，而集電極端子則連到DBC板空間位置上，從而消除了互感，限制了鄰近效應(yīng)，降低了內(nèi)部寄生電感量;(2)許多并聯(lián)的IGBT和FWD芯片都焊在無(wú)圖形的DBC板上，且IGBT的發(fā)射極和FWD的陽(yáng)極上焊有鉬緩沖片，IGBT的柵極與柵極均流電阻鋁絲鍵合相連，這樣使芯片間的電流分布和整流電壓條件一致，有利于模塊芯片能在相同溫度下工作，大大提高了模塊出力和可靠性;(3)模塊采用堆積式設(shè)計(jì)，把上下絕緣層、上下電極端子以及印制電路板相互疊放，并用粘合膠粘合在一起(粘合時(shí)要避免氣泡)，能很好地隨溫度循環(huán)，無(wú)需考慮所謂焊應(yīng)應(yīng)力，即所謂的電極“S”形設(shè)計(jì)。

　　由于MOS結(jié)構(gòu)的IGBT是電壓驅(qū)動(dòng)的，因此驅(qū)動(dòng)功率小，并可用IC來(lái)實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)和控制，進(jìn)而發(fā)展到把IGBT芯片、快速二極管芯片、控制和驅(qū)動(dòng)電路、過(guò)壓、過(guò)流、過(guò)熱和欠壓保護(hù)電路、箝位電路以及自診斷電路等封裝在同一絕緣外殼內(nèi)的智能化IGBT模塊(IPM)，它為電力電子逆變器的高頻化、小型化、高可靠性和高性能創(chuàng)造了器件基礎(chǔ)，亦使整機(jī)設(shè)計(jì)更簡(jiǎn)化，整機(jī)的設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)和制造成本降低，縮短整機(jī)產(chǎn)品的上市時(shí)間。由于IPM均采用標(biāo)準(zhǔn)化的具有邏輯電平的柵控接口，使IPM能很方便與控制電路板連接。IPM在故障情況下的自保護(hù)能力，降低了器件在開(kāi)發(fā)和使用的損壞，大大提高了整機(jī)的可靠性。