三相超快恢復(fù)二極管FRED整流橋開關(guān)模塊

　1 引言

　　模塊化結(jié)構(gòu)提高了產(chǎn)品的密集性、安全性和可靠性，同時也可降低裝置的生產(chǎn)成本，縮短新產(chǎn)品進入市場的周期，提高企業(yè)的市場競爭力。由于電路的聯(lián)線已在模塊內(nèi)部完成，因此，縮短了元器件之間的連線，可實現(xiàn)優(yōu)化布線和對稱性結(jié)構(gòu)的設(shè)計，使裝置線路的寄生電感和電容參數(shù)大大降低，有利于實現(xiàn)裝置的高頻化。此外，模塊化結(jié)構(gòu)與同容量分立器件結(jié)構(gòu)相比，還具有體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊、外接線簡單、便于維護和安裝等優(yōu)點，因而大大縮小了裝置的體積，降低裝置的重量和成本，且模塊的主電極端子、控制端子和輔助端子與銅底板之間具有2.5KV以上有效值的絕緣耐壓，使之能與裝置內(nèi)各種模塊共同安裝在一個接地的散熱器上，有利于裝置體積的進一步縮小，簡化裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計。

　　常州瑞華電力電子器件有限公司根據(jù)市場需求，充分利用公司近二十年來專業(yè)生產(chǎn)各類電力半導(dǎo)體模塊的工藝制造技術(shù)，設(shè)計能力，工藝和測試設(shè)備以及生產(chǎn)制造經(jīng)驗，于2006年開發(fā)出了能滿足VVVF變頻器、高頻逆變焊機、大功率SMPS、UPS、高頻感應(yīng)加熱電源和伺服電機驅(qū)動放大器所需的，現(xiàn)已批量供用戶使用的，“變頻器專用多功能集成模塊”(其型號為MDST)的基礎(chǔ)上，于2008年又開發(fā)出了“三相FRED整流橋開關(guān)模塊”(其型號為MFST)，由于這種模塊采用了與普通整流二極管相比具有反向恢復(fù)時間(trr)短，反向恢復(fù)峰值電流(IRM)小和反向恢復(fù)電荷(Qrr)低的FRED，使變頻裝置的噪聲電平降低15分貝(dB)，亦使變頻裝置內(nèi)抑置或消除EMI干擾的低通濾波電路內(nèi)的電感和電容尺寸減小，價格下降，使變頻裝置更易符合國內(nèi)外抗電磁干擾(EMI)標(biāo)準(zhǔn)的要求。

　　2 模塊的結(jié)構(gòu)及特點

　　“三相FRED整流橋開關(guān)模塊”是由六個FRED芯片和一個大功率高壓SCR芯片按一定電路聯(lián)成后共同封裝在一個PPS(加有40%玻璃纖維)外殼內(nèi)制成，模塊內(nèi)部的電聯(lián)接方式如圖1所示。圖中FD1～FD6為六個FRED芯片，相互聯(lián)成三相整流橋、晶閘管T串接在電橋的正輸出端上。圖2示出了模塊外形結(jié)構(gòu)示意圖，現(xiàn)將圖中的主要結(jié)構(gòu)件的功能和模塊制作過程中與之有關(guān)問題及解決辦法分述如下：

　　1) 銅基導(dǎo)熱底板：其功能為DBC基板提供聯(lián)結(jié)支撐和導(dǎo)熱通道，并作為整個模塊的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。因

　　此，它必須具有高導(dǎo)熱性和易焊性。由于它要與DBC基板進行高溫焊接，又因它們之間熱線性膨脹系數(shù)(銅為6.7×10-6/℃,DBC為7.1×10-6/℃)相差較大，因而它們在高溫焊接后，收縮尺寸相差亦很大，易引起焊料的塑性變形，使疲勞加速，最終使模塊損壞。為此，除需采用摻磷、鎂的銅銀合金外，并在焊接前對銅底板要進行一定弧度的預(yù)彎，這種尚存一定弧度的焊成品，能在模塊安裝到散熱器上時，使它們之間有充分的接觸，從而降低模塊的接觸熱阻，保證模塊的出力。當(dāng)然采用熱線性膨脹系數(shù)很接近DBC板的AlSic底板替代銅底板將很好解決這一問題。

　　2)DBC基板：它是在高溫和一定氧氣氛下將氧化鋁(Al2O3)或氮化鋁(AlN)基片與銅箔直接雙面鍵合而成，它具有優(yōu)良的導(dǎo)熱性、絕緣性和易焊性，并有與硅材料較接近的熱線性膨脹系數(shù)(硅：～4.2

　　×10-6/℃，DBC：7.1×10-6/℃)，因而可以與硅芯片直接焊接省去過渡層鉬片，從而簡化模塊焊接工藝和降低熱阻。同時，DBC基板可按功率電路單元要求，像PBC板一樣刻蝕出各式各樣的圖形，以用作電力半導(dǎo)體芯片的焊接襯底、模塊主電路端子和控制端子的焊接支架，它將銅底板和電力半導(dǎo)體芯片相互電氣絕緣，使模塊具有有效值為2.5KV以上的絕緣耐壓。此外，DBC板的固態(tài)銅簿層具有很高電導(dǎo)率和大的載流量，在相同載流下，0.3mm厚的銅簿線寬僅為PCB板的10%。

　　3)電力半導(dǎo)體芯片：超快恢復(fù)二極管(FRED)和晶閘管(SCR)芯片的PN結(jié)都是玻璃鈍化保護，在模塊制作過程中在PN結(jié)上再涂有RTV硅橡膠，并灌封有彈性硅凝膠和環(huán)氧樹脂，這種多層保護使電力半導(dǎo)體器件芯片的性能穩(wěn)定可靠。半導(dǎo)體芯片直接焊在DBC基板上，而芯片正面都焊有經(jīng)表面處理的鉬片或直接用鋁絲鍵合到DBC板上作為主電極的引出線，而部分聯(lián)線是通過DBC板的刻蝕圖形來實現(xiàn)。根據(jù)三相整流橋電路共陽和共陰的聯(lián)結(jié)特點，F(xiàn)RED芯片采用三片是正燒(即芯片正面是陰極、反面是陽極)和三片是反燒(即芯片正面是陽極、反面是陰極)，并利用DBC基板的刻蝕圖形，形成三相整流橋的共陰和共陽公共聯(lián)線，使焊接簡化。同時，所有主電極的引出端子都焊在DBC基板上，這樣使聯(lián)線減少，模塊可靠性提高。

　　4)外殼：殼體采用抗壓、抗拉和絕緣強度高以及熱變溫度高的，并加有40%玻璃纖維的聚苯硫醚(PPS)注塑型材料組成，它能很好地解決與銅底板、主電極之間的熱脹冷縮的匹配問題，通過環(huán)氧樹脂的澆注固化工藝或環(huán)氧板的間隔，實現(xiàn)上下殼體的結(jié)構(gòu)聯(lián)結(jié)，以達(dá)到較高的防護強度和氣閉密封，并為主電極引出提供支撐。為了保證外殼成形時不形變，必須采取局部加厚和加強筋等措施，并盡可能使各處壁厚一致，以防在成型過程中由于不均勻的凝固和收縮，使厚壁處產(chǎn)生氣泡和變形，嚴(yán)重影響外殼質(zhì)量。

　　3 主要應(yīng)用領(lǐng)域、功效和技術(shù)參數(shù)

　　3.1主要應(yīng)用領(lǐng)域

　　三相FRED整流橋開關(guān)模塊主要用于由大功率高頻開關(guān)器件(IGBT、功率MOSFET、IGCT等)制成的，帶中間直流環(huán)節(jié)的變頻裝置內(nèi)，如VVVF變頻器、UPS、大功率SMPS、高頻逆變焊機、伺服電機驅(qū)動放大器和高頻感應(yīng)加熱裝置等逆變裝置內(nèi)。圖3和4分別示出了VVVF變頻器和高頻逆變焊機的電原理圖。

　　目前，圖中的D1～D6均采用三相普通整流二極管整流橋模塊，R為充電限流電阻，K為機械接觸器，其作用是對充電限流電阻進行短接。

　　3.2功效

　　用“三相FRED整流橋開關(guān)模塊”替代分立的“三相普通整流橋模塊”和機械接觸器，就可達(dá)到以下的功效：

　　(1)在變頻電路中，由于開關(guān)器件(IGBT、功率MOSFET、IGCT等)和FRED的高速開關(guān)，就產(chǎn)生高的di/dt和dv/dt，結(jié)合電路的寄生電感和電容，使之產(chǎn)生大量的電磁干擾(Electromagnetic Interference ,EMI),這樣使變頻裝置的輸入端產(chǎn)生較大的共模干擾和差模干擾，從而產(chǎn)生諧波和波形嚴(yán)重失真。用FRED替代普通整流二極管(SR)后，由于FRED的反向恢復(fù)時間Trr(納秒級)比SR(微秒級)的短得多，而同容量的FRED反向恢復(fù)電流IRM只有SR的1/2～1/3，如圖5所示，這樣在10KHZ∽200KHZ頻率范圍內(nèi)可降低EMI噪聲電平15分貝(db)[4]，因而使抑制或消除EMI干擾的低通濾波器內(nèi)電感器和電容器尺寸縮小，成本降低，并減少變頻裝置對電網(wǎng)的污染，使其更能符合國內(nèi)外EMI標(biāo)準(zhǔn)的要求。當(dāng)然，目前FRED要比SR貴，但從總價以及對某些特殊應(yīng)用場合(如航天、航空、軍用以及要求空間限制的場合)以及變頻裝置更符合EMI標(biāo)準(zhǔn)要求的角度來說，采用三相FRED整流橋模塊是非常必要的。隨著FRED規(guī)模生產(chǎn)的發(fā)展，成品率的提高，其成本將大幅度降低，本模塊的應(yīng)用前景廣闊。

　　(2)用晶閘管替代機械接觸器，實現(xiàn)了電力半導(dǎo)體無觸點動力開關(guān)的目的，避免了因接觸器帶電弧開關(guān)和潮濕或帶粉塵環(huán)境的影響使觸