电力半导体模块及其发展趋势

电力半导体模块及其发展趋势

1前言

电力电子技术主要是由电力半导体器件，电力半导体变流技术和控制技术三部分组成，它主要利用电力半导体器件，把电能（包括其电压、电流、频率、相位和相数）从一种形式变换成另一种形式，亦即把电能从AC变成DC，DC变成AC，DC变成DC以及AC变成AC，满足用电设备的各种需要，以达到最佳利用电能的目的。但是在这种电能变换过程中，采用哪一种电力半导体器件能使变流装置的体积最小、重量最轻、变换效率最高、且电路简单，电能品质最好，价格便宜、操作安装方便，从而使变流系统最可靠呢？这是装置设计者长期以来首先要考虑和解决的重要问题，亦是器件设计者长期追求的目标。

电力半导体器件是电力电子技术的基础，是电力变流装置的心脏，它非但对电力变流装置的体积、重量、效率、性能以及可靠性等起到至关重要的作用，而且对装置的价格也起到很大影响。一种新型器件的诞生往往使整个装置系统面貌发生巨大改观，促进电力电子技术向前发展。自1957年第一个晶闸管问世以来，经过40多年的开发和研究，已推出各种电力半导体器件近40种，目前正沿着高频化、智能化、大功率化和模块化方向发展，本文将简要介绍模块化发展趋势。

所谓模块，就是把二个或二个以上的电力半导体芯片按一定电路联成，并与辅助电路共同封装在一个绝缘的树脂外壳内而制成。自上世纪70年代Semikron公司把模块原理引入电力电子技术领域以来[1]，由于模块外形尺寸和安装尺寸的标准化以及芯片间的连线已在模块内部联成，因而它与同容量的分立器件相比，具有体积小，重量轻，结构紧凑，可靠性高，外接线简单，互换性好，便于维修和安装，结构重复性好，装置的机械设计可简化，总价格（包括散热器）比分立器件低等优点，又因模块化是使电力电子装置的效率、重量、体积、可靠性、价格等技术经济指标更进一步改善和提高的重要措施，因此，一开始就受到世界各国电力半导体器件公司的高度重视，投入大量的人力和财力，开发出各种内部电联接形式的电力半导体模块，如晶闸管、整流二极管、双向晶闸管、逆导晶闸管、光控晶闸管、可关断晶闸管、电力晶体管GTR、MOS可控晶闸管MCT、功率MOSFET以及绝缘栅双极型晶体管IGBT等模块，使模块技术得以蓬勃发展。

2晶闸管和整流二极管模块

晶闸管和整流二极管模块始于上世纪70年代初，起初是中小功率晶闸管（电压≤1000V，电流≤100A）模块，之后，随着模块制造工艺的成熟以及制造模块的相应辅助材料的研发成功，使晶闸管模块的容量增大，品种增多，目前晶闸管模块水平已达1000A/1600V。图1是晶闸管、整流二极管桥臂模块和电桥模块内部电联接图，图中单相和三相电桥模块可带续流二极管，亦可不带续流二极管，因此图中续流二极管用虚线连接表示。模块一般有二种型式，即绝缘隔离型和非绝缘隔离型，前者芯片与铜底板之间的绝缘耐压高达2.5kV有效值以上，应用时比较灵活，装置设计者可以把一个或多个桥臂模块安装在同一接地的散热器上，联成各种标准的单相或三相全控、半控整流等桥式电路、交流开关或其它各种实用电路，从而大大简化了电路结构，缩小装置体积。后者应有公共阳极和阴极才能使用，因而在使用中有很大局限性，发展较慢。模块结构按管芯组装工艺和固定方法不同可分为：普通焊接结构，压接式结构和DCB键合结构三种。它们各有各的优缺点，普通焊接结构工艺简单，零部件少，因而成本低，但由于焊料的热疲劳，重复功率循环，使模块容易造成现场失效。压接式结构，虽然解决了热疲劳问题，但由于它结构复杂，零部件多，因而成本高。而DCB键合式结构，集中了上述二种结构的优点，克服了它们的缺点，使之有良好的热疲劳稳定性，可制成大电流和高集成度的功率模块。图2和图3分别为DCB键合式和压接式晶闸管模块结构图，由图可见，模块三个主电极端子配置在同一平面上，使母线配线容易，门极和辅助阴极端子设在模块的右侧，并与主端子分开，因而提高了抗干扰能力。模块内的陶瓷绝缘片是Al2O3，AlN或BeO，它使铜底板与芯片之间的绝缘耐压超过2.5kV有效值。晶闸管芯片用RTV或玻璃钝化保护，上面灌有硅凝胶和环氧树脂，从而提高了模块的气密性，这种双重密封结构大大提高了模块的耐潮湿性能，因而使模块能稳定可靠地运行。目前，这种模块已广泛应用于国防、冶金、航天、机械等国民经济各部门，并被装置设计者用来逐步替代分立器件。据美国上世纪90年代初统计，在过去十几年内300A以下的分立晶闸管、整流二极管和20A以上的达林顿晶体管市场占有量已由90％降到20％，而上述器件的模块却由10％上升到80％，可见模块发展之快。到上世纪90年代初，这种晶闸管系列模块的制造技术在国外已相当成熟，而且生产成品率也相当高。但由于晶闸管是电流控制型电力半导体器件，所以需要较大的脉冲触发功率才能驱动晶闸管，又要加其它一些辅助电路的元器件（如同步电源的同步变压器等），体积庞大和制造技术的限制，很难使移相触发系统与晶闸管主电路以及保护取样传感器等共同封装在同一塑料外壳内，所以，国外至今未见有这种晶闸管集成智能模块产品。我国山东淄博临淄银河高技术开发有限公司，经多年的研究开发，在解决了同步元件微型化问题，使之适合集成用之后，继而解决了提高信号幅度、抗干扰、高压隔离和同步信号输入等问题，并研制开发出高密度的脉冲变压器和多路高速大电流集成电路以及几种适合集成模块用的专用集成电路，在采用了导热、绝缘性能良好的DCB板，钼铜板和具有较好电绝缘和保护性

图1晶闸管、整流二极管桥臂模块和电桥模块内部电联接图

图290A/1600VDCB键合式晶闸管模块

(a)电原理图(b)结构示意图

图3260A/1400V压接式晶闸管模块结构示意图

图4移相触发系统原理框图

能并具有良好热传导作用的弹性硅凝胶等特殊材料后，开发出各种功能的晶闸管集成智能模块ITPM（IntelligentThyristorPowerModule），解决了世界上一直未能实现的晶闸管主电路与移相触发系统以及保护取样传感器共同封装在一个塑料外壳内的难题。图4和图5分别为移相触发系统原理框图和晶闸管智能模块内部接线图。这样，使电力电子装置体积进一步缩小，可靠性更进一步提高，使用更简单方便，安装维修更容易，大大方便了用户，为机电一体化作出重要贡献。经过近三年的生产和约千余家用户在调速、调功、调光、温控、固态开关、电机软起动、自动控制等领域的使用，性能良好，可靠性高，使用简单方便，有“傻瓜”晶闸管模块之称。目前，该公司正以数字技术替代模拟技术，扩大模块的输出容量，单相、三相集成移相调控晶闸管交流开关模块最大电流达到1000A，最高电压达2200V，单、三相集成移相调控晶闸管整流桥模块电流达500A，电压达1800V。已研制出多种功能更全，输出电流更大的专用晶闸管智能模块，如交流电机软起动模块，双闭环直流电机调速模块，大电流全控型整流逆变模块，弧焊电源模块以及恒压、恒流模块等，且模块内都置有电压、电流传感器，以达到闭环调节和保护作用。

图5晶闸管智能模块内部接线图

（a)三相集成移相调控晶闸管整流桥模块(b)单相集成移相调控晶闸管整流桥模块

(c)三相集成移相调控晶闸管交流开关模块(d)单相集成移相调控晶闸管交流开关模块

(e)带过零触发电路的三相晶闸管交流开关模块(f)带过零触发电路的单相晶闸管交流开关模块

3绝缘栅双极型晶体管（IGBT）模块

上世纪80年代初，IGBT器件的研制成功以及随后其额定参数的不断提高和改进，为高频、较大功率应用的发展起到了重要作用。由于IGBT为电压型驱动，具有驱动功率小，开关速度高，饱和压降低，可耐高电压和大电流等一系列优点，表现出很好的综合性能，已成为当前在工业领域应用最广泛的电力半导体器件。其硬开关频率达25kHz，软开关频率可达100kHz。而新研制成的霹雳（Thunderbolt）型IGBT，其硬开关频率可达150kHz，在谐振逆变软开关电路中可达300kHz。

目前，IGBT封装形式主要有塑封单管和底板与各主电极相互绝缘的模块形式，大功率IGBT亦有平板压接形式。由于模块封装形式对设计散热器极为方便，因此，被各器件生产大公司广泛采用。另一方面，IGBT生产工艺复杂，制造过程中要做十几次精细的光刻套刻，并经相应次数的高温加工，因此要制造大面积即大电流的IGBT单片，其成品率将大大降低。可是IGBT的MOS特性，使其更易并联，所以模块封装形式更适于制造大电流IGBT。起初由于IGBT工艺采用高阻外延片技术，电压很难突破2kV，因为要制造这样高电压的IGBT，外延厚度就要超过200微米，这在技术上很难，且几乎不能实用化。因此，1993年德国EUPEC公司研制成的1300A/3200VIGBT模块，就是由多个IGBT芯片串、并联制成，这种组合只是对大电流、高电压模块发展的一种尝试，对工业生产的实用价值不大。1996年日本多家公司采用（110）晶面的高阻硅单晶制造IGBT器件，硅片厚度超过300微米，使单片IGBT的耐压超过2.5kV，因此，同年东芝公司推出的1000A/2500V平板压接式IGBT器件就是由24个80A/2500V的芯片并联组成。1998年ABB公司采用在阳极侧透明P＋发射层和n－缓冲层结构，使IGBT的耐压高达4.5kV[2]，而该公司同年研发成的1200A/3300VIGBT模块就是由20个芯片并联制成。此后，非穿通（NPT）和软穿通（SPT）结构IGBT的试制成功，使IGBT器件具有正电阻温度系数，更易于并联，这为高电压、大电流IGBT模块的制造只需并联无需串联创造了技术基础。目前，已能批量生产一单元、二单元、四单元、六单元和七单元的IGBT标准型模块，其最高水平已达到1800A/4500V。图6为300A/1700VIGBT模块的电路图和简略结构示意图，它是由4个160A/1700VIGBT芯片和8个100A/1700V快恢复二极管组成。

IGBT芯片的集电极和快恢复二极管的阴极都直接焊在DCB板陶瓷基板上，然后用铜电极引出，DCB基板再与铜底板相焊，以便散热。IGBT的发射极、栅极以及快恢复二极管的阳极都用铝丝键合在DCB板上，然后再用铜电极引出，模块采用RTV硅橡胶、硅凝胶和环氧树脂密封保护，又加芯片本身PN结已有玻璃钝化保护，因此，能达到防潮、防震、防有害气体侵袭，使模块性能稳定可靠。但是，这种把IGBT芯片焊在一个平面上，芯片之间采用超声键合或热压焊的方法相联，由于器件在高di/dt和dv/dt下进行开和关，很容易产生高的电磁场，导致键合线（铝丝）之间由于邻近效应，使电流在导线内分布不均匀，并产生寄生振荡和噪音，导致键合线损坏，或使键合点脱落，造成IGBT模块失效。为此，已研制出在钼片表面键合一层铝，钼面与IGBT或快恢复二极管相焊，而铝丝键合在钼片表面的键合铝层上[3]，以降低键合处的应力，进一步改善了IGBT模块工作的可靠性。

4IGBT智能模块

由于MOS结构的IGBT是电压驱动的，因此驱动功率小，并可用集成电路来实现驱动和控制，进而发展到把IGBT芯片，快速二极管芯片，控制和驱动电路，过压、过流、过热和欠压保护电路、箝位电路以及自诊断电路等封装在同一绝缘外壳内的智能化IGBT模块（IPM），它为电力电子逆变器的高频化、小型化、高可靠性和高性能创造了器件基础，亦使整机设计更简化，整机的设计、开发和制造成本降低，缩短整机产品的上市时间。由于IPM均采用标准化的具有逻辑电平的栅控接口，使IPM能很方便与控制电路板相连接。IPM在故障情况下的自保护能力，降低了器件在开发和使用中损坏的几率，大大提高了整机的可靠性。图7和图8分别为IPM保护的功能框图和结构图。图中IPM内置的保护功能允许IGBT避免因控制失灵和应力过大而损坏的前提下，最大限度地利用IGBT器件的容量，而且其中任一种保护动作，IGBT栅极驱动单元就会被关断，并输出一个故障信号FO。由于采用RTC电路的实时电流控制功能来抑制短路电流，所以能实现短路的安全切断。过电压箝位保护，改变了过去过压保护用外插入吸收电路的办法，解决了吸收电路存在的损耗问题。IPM中采用带有电流传感器的IGBT芯片，这一电流实时监控技术能高效迅速检测过电流和短路电流，并采用逐步降栅压的软关断技术，大大降低了关断大电流而引发的浪

涌电压。在靠近IGBT芯片的绝缘基板（DCB板）上安装有一个温度传感器，进行芯片温度检测，若基板温度超过热动作数值，则内部封锁栅极驱动脉冲，并输出故障信号FO，此法解决了热敏法无法解决的检测短时通电温升问题。图8中栅极驱动和控制电路则做在一块带有特殊防电磁干扰保护层的多层PCB上，放在功率器件上面。DCB陶瓷衬底板可提供更大的载流能力，具有更好的散热性能。目前市场上已能批量供应800A/1200VIPM，其最高水平已达到1200A/1800V和1600A/1500V的通用和专用IPM模块。

图6300A/1700VIGBT模块

(a)电路图(b)简略结构示意图

图7IPM保护功能框图(原图未做格式处理）

图8IPM简略结构示意图

图9分层多芯片IPEM结构图

为适应计算机、通讯、空间技术以及各种大容量的工业电力变流装置和电动机驱动要求，为了提高产品在市场上的竞争力，在IPM的基础上开发出高集成化，智能化，标准化，并适合各种不同用户应用要求的用户专用功率模块（ASPM），它是把变流装置所有硬件尽量集成在同一芯片上，如把逆变装置的整流器，逆变器的IGBT和FWD，制动IGBT以及快速二极管集成在一个芯片上，使之不再有额外的引线连接。目前市场上已大量供应作小功率电机控制用的0.1kW到1.5kWASPM模块，一台7.5kW电机变频装置ASPM模块，其体积仅为600mm×400mm×250mm,从而达到体积小，重量轻，装置成本低，寄生电感小，并大大提高高频变流装置的可靠性，21世纪被称作“Allinone”的ASPM模块将越来越普及。但是，技术上要把几百安、几千伏的电力半导体器件与逻辑电平仅为几伏、几毫安的集成电路集成在同一硅芯片上将非常困难。然而采用混合封装形式的集成电力电子模块（IPEM）将非常合适和经济，三维多层结构的集成技术，可大大扩大IPEM的功率范围，图9为分层多芯片IPEM结构图。图9中IGBT等器件制成可安装的管芯形式，它们被安装在具有高导热率且绝缘的衬底板上，利用独特的电通路来实现各器件的互联。IPEM的控制电路，栅极缓冲器，电流和温度传感器，电平位移电路和保护电路，都利用表面贴装元件安装在已烧制好的普通陶瓷片上，一个微处理控制器与IPEM接口，提供所需的控制功能，这种以高集成度为特色的混合结构，结合无源元件的电磁集成，采用新型材料、热控技术以及谐振软开关技术所制成的IPEM为新世纪电力电子技术的发展开辟了新途径。