新型電力電子技術(shù)功率模塊特征與應(yīng)用

1 應(yīng)用智能型功率模塊勢(shì)在必行

功率模塊有助于大功率應(yīng)用實(shí)現(xiàn)可靠的集成化系統(tǒng)布局。智能型功率模塊將分立功率半導(dǎo)體器件和驅(qū)動(dòng)器集成到一個(gè)封裝中，能夠減少在設(shè)計(jì)上花費(fèi)的時(shí)間和精力，保證其電器產(chǎn)品擁有可靠的功率電子部件。這種集成能夠縮短產(chǎn)品上市時(shí)間。

在電力電子技術(shù)中，開關(guān)電源占有重要地位，而現(xiàn)代電力電子技術(shù)的繁榮與開關(guān)電源（特別是高頻開關(guān)電源）的發(fā)展緊密聯(lián)系在一起，高頻化是現(xiàn)代電力電子技術(shù)焦點(diǎn)之一。但現(xiàn)代高頻開關(guān)電源應(yīng)用空間迅速擴(kuò)展，都開始將注意力轉(zhuǎn)向以高頻變換為代表的現(xiàn)代電力電子技術(shù)，許多新的應(yīng)用領(lǐng)域中其熱點(diǎn)也陸續(xù)發(fā)展并選中高頻開關(guān)電源(DC/AC)。

在消費(fèi)電器和一般工業(yè)應(yīng)用的低功率電機(jī)驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域中，采用轉(zhuǎn)模(transfer-molded)封裝的智能功率模塊是目前的發(fā)展趨勢(shì)。

在上述這些應(yīng)用領(lǐng)域中很重要的是要求高可靠的高頻大功率的開關(guān)電源。根據(jù)現(xiàn)代電力電子技術(shù)關(guān)于高頻電源電路應(yīng)集成化、智能化及模塊化的又一特點(diǎn)，縱觀目前市場(chǎng)，應(yīng)用智能型功率模塊是勢(shì)在必行。

如今智能功率模塊涵蓋0.05kW至7kW的功率范圍，具有緊湊性、功能性、可靠性以及成本效益。通過使用銅直接鍵合(DBC)基底的轉(zhuǎn)模封裝，不僅能夠提高功率密度，并且在單一封裝中便可實(shí)現(xiàn)三相逆變器、SRM驅(qū)動(dòng)器和功率因數(shù)校正等各種電路拓?fù)?。本文將從智能功率模塊的核心技術(shù)(IBGT技術(shù))及其應(yīng)用作分析介紹。

2 智能功率模塊的核心技術(shù)

2.1新的IBGT技術(shù)

功率模塊系列集成了新的IBGT技術(shù)，達(dá)到了產(chǎn)品的額定值和工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求的特性，開關(guān)性能和應(yīng)用強(qiáng)韌性十分優(yōu)異。因?yàn)槟K化系統(tǒng)特性，如DBC襯底、塑封設(shè)計(jì)、芯片布線和凝膠涂料，該解決方案在任何環(huán)境下都有極佳的性能表現(xiàn)。

由于IGBT技術(shù)的進(jìn)步，智能功率模塊（SPM）系列一直不斷地經(jīng)歷著升級(jí)。隨著亞微米設(shè)計(jì)規(guī)則的引入，不僅芯片尺寸減小的速度加快，同時(shí)電流密度大幅度地增加。最新一代的IGBT芯片實(shí)現(xiàn)了關(guān)斷損耗和導(dǎo)通壓降之間更好的性能平衡關(guān)系，同時(shí)確保擁有足夠的SOA。圖1表示IGBT技術(shù)方面的改進(jìn)。顯然，V5 IGBT具有出色的器件性能，關(guān)斷損耗與導(dǎo)通壓降均小，從而可以在更小的封裝中增大功率容量。

圖1 IGBT技術(shù)方面的改進(jìn)

低功耗運(yùn)作常常需要更快的開關(guān)速度，這造成了恢復(fù)電流的增加和dv/dt的升高，會(huì)帶來較大的電磁干擾(EMI)、高浪涌電壓和電機(jī)泄漏電流。在SPM系列中，已經(jīng)考慮了EMI問題，并優(yōu)化了柵極驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)，犧牲高開關(guān)速度以控制集成IGBT的開關(guān)速度。正是由于IGBT具有低導(dǎo)通壓降，能夠保持總體功耗不變，同時(shí)實(shí)現(xiàn)低EMI特性。此外，為了獲得更佳的ESD保護(hù)，在柵極和發(fā)射極之間使用了具有足夠的箝位電壓的多個(gè)背靠背二極管。使用集成式保護(hù)二極管，智能功率模塊都達(dá)到工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)ESD電平。