混合集成技术在电源中的应用

摘  要： 本文针对电源技术领域，以混合集成技术为主，阐述了电力电子集成技术的基本概念、基本原理和面临的主要技术问题。并对该领域国内外研究现状和主要研究内容进行了介绍。
电力电子集成概念的提出有10余年的历史，早期的思路是单片集成，体现了系统芯片(SOC)的概念，即将主电路、驱动、保护和控制电路等全部集成在同一个硅片上。由于高压、大电流的主电路元件和其他低压、小电流电路元件的制造工艺差别较大，还有高压隔离和传热的问题，故单片集成难度很大，目前仅在小功率范围有所应用。而在中大功率范围内，只能采用混合集成的办法，将多个不同工艺的器件裸片封装在一个模块内，现在广泛使用的电力电子功率模块和智能功率模块(Intelligent Power Module-IPM)都体现了这种思想。1997年前后美国政府、军方及电力电子技术领域一些著名学者共同提出电力电子积木(Power Electronic Building Block-PEBB)的概念，明确了集成化这一电力电子技术未来的发展方向，并将电力电子集成技术的研究推向高潮。

电力电子集成技术的基本概念
电源的集成化
常见的电源装置，包括直流电源和交流电源，通常构成如图2所示。
其中控制、人机界面、通信接口电路已逐步实现数字化，从而可以比较容易的实现集成化，而驱动电路和保护电路含有较多模拟电路，集成度相对较低。主电路包含开关元件、变压器、电感等磁性元件以及电容、电阻等元件，集成的难度很大。目前，电源装置中的主电路基本上以分立元件构成为主，在中小功率范围有采用单片集成元件，如TOPSwitch，或某些混合集成模块，但离全面的集成化还有很大距离。
集成化的基本思想是通过封装的手段，将主电路的部分元件和驱动、保护、控制甚至人机界面和通信接口电路都集成到一个或几个模块内，实现电源装置的全面集成化。
为什么要集成化
采用集成技术主要可以解决以下几个方面的问题：
?简化设计
对电力电子技术掌握得并不十分熟练与深入的应用工程人员来说，他们可以专注于解决与具体应用有关的问题，通俗的讲，他们只需要将集成模块象积木一样拼接成系统即可。如果这一理想能够实现，可以预见，电力电子应用范围将进入前所未有的广度和宽度，足可以称得上是一次革命。


图 1 IR公司的FlipFET器件


图2  电源的结构


?简化制造
大部分的元器件集成在模块内部，而标准化的集成模块是以较高的自动化程度批量制造的。因此整个制造过程的自动化程度将会大大提高，制造周期缩短，成品率提高，而成本会降低。
?降低成本
勿庸置疑，集成模块的设计需要花费较多的人力和较长的设计周期，因此设计成本会较高，但具有通用性的集成模块一旦被设计出来，就可以千百次的被重复应用，分摊到每个装置和系统的设计成本很低。集成模块可以批量生产，其制造成本也会降低。
?提高性能
小型化是集成技术带来的最显而易见的进步，但还远不止与此。采用紧凑的互连和封装，将使电路中的寄生电感等不利于电路工作的寄生参数显著减小，从而降低电路的开关应力和噪声，使电路的可靠性大大提高。同时，开关噪声的降低和电路的紧凑布局还将大大降低电路的电磁干扰，提高电磁兼容性。
集成所面临的问题
虽然集成技术可以带来诸多好处，但实现集成化所面临的困难也是很大的。最主要的技术问题有：
?封装与互连
在分立元件构成的电路中，互连主要采用印刷电路和导线，而在集成模块内部，则较多采用微电子技术中的互连技术，如铝丝压焊、蒸镀铝膜等。但这些工艺多用于低压、小电流的集成电路的互连和封装，用于电力电子集成就存在电流承载能力不足、分布参数偏大、可靠性不够高等问题。随之而来的还有耐高电压的绝缘材料，焊接材料等很多问题。由于集成模块的制造是集成化的关键之所在，而高性能、高可靠性的封装与互连技术又是制造集成模块的前提，因此许多学者认为封装和互连技术是集成技术要解决的核心问题，是有一定道理的。目前已有的互连和封装技术还不能令人满意，因此有关的研究进行的非常集中。


图3 硬开关半桥型电路


图4 软开关不对称半桥型电路


图5  磁集成模块的结构


图6  磁集成模块的实例


?电磁兼容
电力电子装置中主电路工作时会产生较强的电磁信号，可能对其驱动、控制和保护等信号处理电路产生干扰。在分立元件构成的装置中，主电路和控制电路的空间距离较大，这一问题表现得不是十分突出。在集成模块中，二者的间距小于5~10mm，因此抑制相互间的干扰变得十分重要。这在电磁场分析、电磁兼容模型、电路设计等方面提出了新的挑战。
?传热
与普通的集成电路相比，电力电子集成模块的发热量大2~3个数量级。与分立元件构成的装置相比，集成模块热集中的问题也要严重的多。并且在集成模块内部，发热量较大的开关元件和发热量很小的控制电路元件安装距离很小，控制电路元件会被开关元件“加热”。在狭小的空间内，有效控制热量的流动从而控制开关元件和控制电路元件合理的温升，对模块的可靠工作是非常重要的。
?可靠性与成品率
由于包含了控制电路，集成模块内的元件数将比现有功率模块乃至IPM都多的多，而可靠性和制造的成品率是随着元件数的增加而降低的。可靠性决定着模块的可用性。成品率则在很大程度上决定了模块的制造成本。因此能否提高可靠性和成品率，也是集成技术成败的关键之一。
集成的方法
总的来说，电源装置的集成可以分为3个不同的层次和形式：
?单片集成
单片集成难度很大，目前仅在小功率范围有所应用，如在集成电源管理IC中得到了广泛的应用。电源管理IC正向集成化程度更高和功能更完善方向发展，这大大方便和简化了用户的设计。随着新型半导体材料和加工工艺的进步，将来必然向较大的功率等级发展。
?混合集成
就是采用封装的技术手段，将分别包含功率器件、驱动、保护和控制电路的多个硅片封入同一模块中，形成具有部分或完整功能的、相对独立的单元。这种集成方法可以较好的解决不同工艺的电路间的组合与高电压隔离等问题，具有较高的集成度，也可以比较有效的减小体积和重量，但目前还存在分布参数、电磁兼容、传热等具有较高难度的技术问题，并且尚不能有效地降低成本，达到较高的可靠性，因此目前仍以中等功率应用为主，并正在向大功率发展。混合集成的典型例子是IPM。在某种意义上，混合集成是在集成度与技术难度之间，根据当前的技术水平所采取的一种折衷方案，具有较强的现实意义，是目前电力电子集成技术的主流方式。
而对于中大功率电源来说，可以采用将开关元件和磁性元件分别封装在不同的模块中的方案。
?系统集成
也就是系统级的集成，这是目前在工程技术领域普遍采用的集成方案，其含义是将已有的实体经过有机的组合及拼装形成一个完整的系统，在电力电子技术领域，系统集成一般指将多个电路或装置有机的组合成具有完整功能的电力电子系统，如通信电源系统等。系统集成是功能的集成，具有低的集成度和技术难度，容易实现，但由于集成度低，与独立的装置和电路相比，体积和重量都无法显著降低，而且其构成仍以分立的元器件为主，设计、制造都较复杂，不能明显的体现集成的优势。目前，系统集成技术多用于功率很大、结构和功能复杂的系统。
目前，国际电力电子学界所谈论的集成概念一般指单片集成和混合集成，而很少包含系统集成这一层次。

国际电力电子集成技术的研究概况
电力电子集成模块的电路
用于集成模块内的电路应具有通用性，并应具有结构简单、效率高、易于集成的特点。在众多的电路中，图3所示的两个开关和两个续流二极管构成的半桥型电路可以用于构成半桥、全桥、三相桥等多种电路，具有很好的通用性。配合一定的外部电路和特殊的控制方式，还可以实现软开关。图4所示为一种采用不对称控制方式的软开关半桥型的电路。其他可以用于集成模块的电路还有移相全桥型电路等。
电力电子集成模块的封装技术
封装技术指将不同功能、不同工艺的功率器件管芯与部分或全部驱动、保护、控制电路元件采用一定的工艺手段相互连接和组装，构成集成模块。
目前比较成熟、应用最为广泛的方法是在DBC基板或铝基板上安装管芯和元件，用铝丝压焊互联的技术。
虽然铝丝压焊工艺应用广泛，但越来越多的研究表明，该工艺存在诸多问题，主要的有：
?互连线寄生电感较大，会给器件带来较高的开关过电压，形成开关应力。
?多根铝丝并联的临近效应导致电流分布不均，造成局部电流集中，也成为加速模块失效的一个原因。
?高频大电流通过铝丝产生的电磁力、热应力等造成其可靠性较低，容易疲劳脱落造成模块失效。
?铝丝较细，传热性能不够好，不能有效的将器件表面产生的热量有效传出。
因此出现了许多不采用铝丝的互连方法，如MCM(Multi-Chip Module 多芯片模块)、BGA(Ball Grid Array 焊球阵列)等技术，但这些方法目前都还不够成熟，还不能达到足够高的可靠性，并且因为成本较高而难以商业化。
磁集成和无源元件集成技术
电源装置中往往包含变压器、电感等磁性元件，不仅体积大，而且形状不规则，给结构设计带来很多不便。采用磁集成技术可以将多个磁性元件集成为一个磁集成元件，不仅减小了体积，而且便于结构设计。进一步还可以将电路中部分电容与磁性元件集成在一起，构成无源集成模块，进一步减小体积。图5是一种用于开关电源的磁集成模块的组成结构，而图6是该模块的实例。

国内的研究进展
国内学术界目前已经对电力电子集成技术引起高度重视，并形成共识，认为应该在政府的推动下，尽快开展我国的电力电子集成技术的研究工作。中国国家自然科学基金已经批准了“电力电子系统集成的理论与关键技术研究”重点项目，由浙江大学，西安交通大学和西安电力电子技术研究所分别承担，于2003年1月起正式启动。经过一段时间的努力，本项目组在集成技术方面已经取得了一些初步的进展。