功率器件的封装和集成如何实现高效率应用

今天，由于该领域众多公司的研究，功率器件已经达到了极高的效率水平。出色的结果是由于不同电子和物理部门的协同作用，结合在一起，可以达到最高水平。让我们看看功率器件的封装和集成如何实现非常高的效率，尤其是在高开关速度下，从而主动使用所有可用功率。

封装与集成：两个致胜词

在一个非常有趣的关于功率器件的网络研讨会上，Eckart Hoene教授来自柏林的研究人员展示了功率器件效率的研究现状。他的主要研究涉及包装，特别关注工业应用。他说：“我们开始使用集成制造工艺是因为我们想减少开关损耗，从而减少寄生干扰。这通过减少开关损耗导致更快的开关”。未来几十年在这个领域将是非常重要和决定性的。随着化石燃料被可再生能源取代，电力电子将变得更加重要，该行业的产量将增加十倍。Hoene 宣称：“我们真的需要考虑如何尽可能经济地生产。一种可能的解决方案是减小设备的尺寸。更小的尺寸意味着更少的材料，因此，降低成本。完全集成的驱动程序肯定会包含更少的组件”。他的研究活动涉及快速开关功率半导体及其应用的未来。

实现最大效率结果的策略

完全集成设备不是简单的操作，需要在开发和新技术方面付出一定的努力。通过集成，开关损耗降低。集成的另一个优点是这大大减少了开发时间。事实上，要使用现成的包，设计一个系统，不需要对这件事有深入的了解。Eckart Hoene 教授进一步表示：“当我们想要创建一个系统时，如果我们使用现成的包，则所有设计时间都被消除了，并且不需要专家拥有的知识”。 高度集成的驱动器包含更少的有源和无源组件。有很高的优势。这种技术可以降低开关损耗，增加脉冲频率，甚至减少无源元件的数量。总之，集成可以产生几个好处：

更少的开关损耗；

更少的寄生噪声；

更快的切换；

更快的开发：“打包”的知识减少了对有经验的人的需求；

通过大批量生产技术降低成本；

减小设备尺寸；

主动和被动元件的数量较少。

在图 1 中，您可以观察到一些图表，展示了组件的高度集成如何导致更少的开关损耗。

图 1：集成涉及更少的开关损耗

此外，切换行为也得到了越来越多的改进，如今，几乎完美的切换已经实现。新的半导体能够快速改变其逻辑状态，并且有可能克服以前从未达到的限制。集成还具有极低电感的巨大优势，甚至小于 2 nH。事实上，本地直流缓冲器的工作性能更好（见图 2）。干净切换的秘诀是什么？电路的核心包含两个半导体和带有阻尼电阻的中间电路电容器。通过改进，一些模块还可以驱动 150 安培和 800 伏的负载。

图 2：电路的核心（开关单元）集成在一个模块中，带有两个半导体和一个电容器

查看图表，您可以看到电子开关已激活（红色图表）。在接通期间，大电流在短时间内流入电路（黑色图中为 150 A），然后减小。同时，中间电路的大电容保证了更长时间的稳定电流（绿色图）。缓冲器在切换时提供电流，并且由于它被电阻器阻尼，因此可以获得非常平滑和干净的切换，没有嗡嗡声和非常低的过电压。

低电感集成器件

在电源开关应用中，电感是决定性的，必须尽可能地加以限制。如何实现低电感？实验原型（图 3 中可见）由两层陶瓷基板组成。背面的特点是散热结构。请注意封装在 PCB 上的四个碳化硅半导体。因此，该器件针对经过电镀处理的微通孔进行了激光钻孔。最后，它用一个金属盖封闭，上面有电触点。该设备可以从后面安装。

图 3：低电感集成器件

仅直流链路中的低电感不足以实现开关目的，但门回路中的低电感也很重要。为了实现这一点，半导体被集成到驱动器升压器中。最后，它们都形成了一个块。当然进一步的集成极大地简化了设计，但只适用于较低的电压。块内填充绝缘材料，增加设备的安全度，由于采用陶瓷板，绝缘电压约为2.5 kV，具有良好的导热性。但是，块中的孔允许您将组件拧到散热器上。

结论

今天的主要目标有两个：提高性能和降低成本。为此，必须调整生产过程。自动化生产在这方面提供了许多可能性。因此，对于 SiC 和 GaN 器件而言，异构集成将是高性能、无寄生开关器件的未来，并且可供所有用户使用。

审核编辑：郭婷