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2016年092期二肖中特

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您现在的位置: 电子之家 >> 半导体 >> 正文   更新时间:2014/8/13 0:46:00  点击数:1736

电力半导体??樾虑魇?

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引言
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,已推出可关断晶闸管(GTO),绝缘栅双极晶体管(IGBT)等40多种电力半导体器件,目前正沿着高频化、大功率化、智能化和??榛姆较蚍⒄?,本文将简要介绍??榛⒄骨魇?。
 
所谓???,最初定义是把两个或两个以上的电力半导体芯片按一定电路联成,用RTV、弹性硅凝胶、环氧树脂等?;げ牧?,密封在一个绝缘的外壳内,并与导热底板绝缘而成。自上世纪70年代Semikron Nurmbeg把??樵恚ǖ笔苯鱿抻诰д⒐芎驼鞫埽┮氲缌Φ缱蛹际趿煊蛞岳?,因此??榛褪艿绞澜绺鞴缌Π氲继骞镜闹厥?,开发和生产出各种内部电联接形式的电力半导体???,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)、电力MOSFET以及绝缘栅双极型晶体管(IGBT)等???,使??榧际醯玫脚畈⒄?,在器件中所占比例越来越大。
 
据美国在上世纪90年代初统计,在过去十几年内,300A以下的分立晶闸管、整流二极管以及20A以上达林顿晶体管市场占有量已由90%降到20%,而上述器件的??槿从?0%上升到80%,可见??榉⒄怪?。
 
随着MOS结构为基础的现代半导体器件研发的成功,亦即用电压控制、驱动功率小、控制简单的IGBT、电力MOSFET、MOS控制晶闸管(MCT)和MOC控制整流管(MCD)的出现,开发出把器件芯片与控制电路、驱动电路、过压、过流、过热和欠压?;さ缏芬约白哉锒系缏纷楹?,并密封在同一绝缘外壳内的智能化电力半导体???,即IPM。
 
为了更进一步提高系统的可靠性,适应电力电子技术向高频化、小型化、??榛⒄狗较?,有些制造商在IPM的基础上,增加一些逆变器的功能,将逆变器电路(IC)的所有器件都以芯片形式封装在一个??槟?,成为用户专用电力??椋ˋSPM),使之不再有传统引线相连,而内部连线采用超声焊、热压焊或压接方式相连,使寄生电感降到最小,有利于装置高频化。一台7.5KW的电机变频装置,其中ASPM只有600×400×250(mm)那么大,而可喜的是,这种用户专用电力??榭砂从τ玫缏返牟煌卸紊杓?,有很大的应用灵活性。但在技术上要把逻辑电平为几伏、几毫安的集成电路IC与几百安、几千伏的电力半导体器件集成在同一芯片上是非常困难的。虽然目前已有1.5KW以下的ASPM出售,但要做大功率的ASPM,还需要解决一系列的问题,因此迫使人们采用混合封装形式来制造适用于各种场合的集成电力电子??椋↖PEM),IPEM为新世纪电力电子技术的发展开了新途径。
 
智能晶闸管???
 
晶闸管和整流二极管??橹饕父髦值缌拥那疟勰?楹偷ハ嗾髑拍??,晶闸管??榫?0年的开发和生产,目前制造这种系列??榈募际跻严嗟背墒?,生产成品率也相当高,使用亦很普遍和成熟,已成为电力调控的重要器件,因此这里不再介绍。
 
晶闸管智能??榫褪荌TPM(Intelligent thyristor power module)把晶闸管主电路与移相触发系统以及过电流、过电压?;ご衅鞴餐獗赵谝桓鏊芰贤饪悄谥瞥?。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,又加其它一些辅助电路的元器件,如同步电流的同步变压器等体积庞大,很难使移相触发系统与晶闸管主电路以及传感器等封装在同一外壳内制成晶闸管智能???。因此,世界上一直没有摆脱将晶闸管器件与门极触发系统分立制作的传统形式。
 
山东淄博临淄银河高技术开发有限公司,经多年的开发研究,解决了同步元器件微型化问题,使之适合集成应用之后,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功率脉冲变压器和多路高速大电流IC,以及两种适合集成??樽ㄓ肐C。在采用了导热、绝缘性能良好的DCB板、钼铜板,具有良好电绝缘和?;ば阅芎土己萌却甲饔玫牡怨枘旱忍厥獠牧虾?,开发出多种具有各种功能的晶闸管智能???,如三相、单相集成移相调控晶闸管智能交流开关???,带过零触发电路的三相、单相交流开关??榈?。
 
   图1为晶闸管智能三相桥??榈哪诓拷酉咄迹╝)及其它外形照片(b),还有晶闸管智能电机控制???,解决了一直未能实现的晶闸管主电路与移相触发系统以及?;と⊙衅鞴餐庾霸谝桓鏊芰贤饪悄诘哪烟?。临淄银河公司研制出??樽畲蠊ぷ飨叩缌魑?600A(RMS),额定工作电压为380V和600V,已用于交流变频、交直流电气传动以及三相交流固态开关和恒压、恒流电源等领域。
图一
 
 
IGBT智能???/DIV>
 
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、较大功率应用范围的发展起到了重要作用,由于IGBT??榫哂械缪剐颓?,驱动功率小,开关速度高,饱和压降低和可耐高电压和大电流等一系列应用上的优点,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。而新研制成的霹雳型(Thunderbolt)型IGBT,其硬开关频率可达150KHz,谐振逆变软开关电路中可达300KHz。
 
目前,IGBT封装形式主要有塑料单管和底板与各主电路相互绝缘的??樾问?,大功率IGBT??橐嘤衅桨逖菇有问?。由于??榉獗招问蕉陨杓粕⑷绕骷奖?,因此,各大器件公司广泛采用。另一方面,IGBT??樯ひ崭丛?,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??墒?,IGBT的MOS特性,使其更易并联,所以??榉庾靶问礁屎嫌谥圃齑蟮缌鱅GBT。起初由于IGBT要用高阻外延片技术,电压很难突破,因为要制造这样高压的IGBT,外延厚度就要超过微米,这在技术上很难,且几乎不能实用化。
 
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,使单片机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的芯并联组成。
 
1998年ABB公司采用在阳极侧透明(Transparent)P+发射层和N-层缓冲层结构,使IGBT??榈哪脱垢叽?.5KV,而该公司同年研发成的1200A/3300V的IGBT??榫褪怯?0个IGBT芯片和12个FWD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??榈闹圃熘恍璨⒘扌璐丛炝思际趸?。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???,其最高水平已达1800A/4500V。图2为300A/1700V IGBT??榈牡缏吠?,它是由4个160A/1700V IGBT芯片和8个100A/1700V快恢复二极管组成。
图 2
图  3
  
图三  260A/1400V压接式晶闸管??榧蚵越峁故疽馔?/DIV>
    但是随着??槠德实奶岣吆凸β实脑龃?,内部寄生电感较大的一般IGBT??榻峁?,已不能适应应用的需要。为了降低??槟诓康淖芭浼纳绺?,使器件在开关时产生的过电压最小,以适应调频大功率IGBT??榉庾暗男枰?,ABB公司开发出一种如图3所示的平面式低电感??椋‥LIP)的新结构,该结构与一般传统结构的主要区别在于:(1)它采用很多宽而簿的铜片重叠形成发射极端子和集电极端子,安装时与??橥装迤叫?,并采用等长平行导线直接从IGBT发射极连到发射极端子上,而集电极端子则连到DBC板空间位置上,从而消除了互感,限制了邻近效应,降低了内部寄生电感量;(2)许多并联的IGBT和FWD芯片都焊在无图形的DBC板上,且IGBT的发射极和FWD的阳极上焊有钼缓冲片,IGBT的栅极与栅极均流电阻铝丝键合相连,这样使芯片间的电流分布和整流电压条件一致,有利于??樾酒茉谙嗤露认鹿ぷ?,大大提高了??槌隽涂煽啃?;(3)??椴捎枚鸦缴杓?,把上下绝缘层、上下电极端子以及印制电路板相互叠放,并用粘合胶粘合在一起(粘合时要避免气泡),能很好地随温度循环,无需考虑所谓焊应应力,即所谓的电极“S”形设计。
 
由于MOS结构的IGBT是电压驱动的,因此驱动功率小,并可用IC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?;さ缏?、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??椋↖PM),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连接。IPM在故障情况下的自?;つ芰?,降低了器件在开发和使用的损坏,大大提高了整机的可靠性。
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