功率模塊技術(shù)演進提升電氣系統(tǒng)效率

      賽米控公司總經(jīng)理 PaulNewman

　     把電力器件與電氣應用相結(jié)合是一種有效利用電能的方法。工作溫度和電流密度是衡量器件性能的重要指標。功率半導體發(fā)展的重要趨勢是冷卻技術(shù)的改善、電流密度的提高以及驅(qū)動器產(chǎn)品的進一步集成化。

　    針對電氣系統(tǒng)的效率提升，成本和體積一直是人們關(guān)注的焦點。如今，隨著環(huán)保壓力的不斷加大，對二氧化碳排放量的控制也變得日益重要了。

　     提高用電效率是當務之急

　     人們通常從電能的產(chǎn)生和使用兩個方面入手來提升電氣系統(tǒng)的效率。在電能的產(chǎn)生方面，風力發(fā)電系統(tǒng)的市場和功率等級正在不斷地增長，對更高離岸電壓系統(tǒng)的需求也在增長；太陽能發(fā)電正在一些市場獲得發(fā)展，德國和西班牙表現(xiàn)得尤為突出；在那些需要盡可能使用電能的復雜系統(tǒng)中，混合動力汽車是一個典型例子，諸如電氣“渦輪增壓”技術(shù)的開發(fā)將確保該領(lǐng)域的技術(shù)持續(xù)發(fā)展。

　    采用電力電子設備控制電機，用電效率可以提高30%。可以想象，把電力電子器件與絕大部分電氣應用相結(jié)合不失為一種更有效地利用電能的方法。然而，據(jù)估算，由電力設備控制的電動機不到全世界電動機總數(shù)的8%，因此這一領(lǐng)域的市場有可能出現(xiàn)顯著的增長。

　    為盡可能地提高系統(tǒng)的效率，我們需要將最好的芯片、最先進的冷卻技術(shù)和最佳的控制手段相結(jié)合，這將通過改善軟開關(guān)技術(shù)、應用諧振變換器、提高控制頻率、減小磁性元件尺寸等一系列手段得以實現(xiàn)。通過采用這些手段，可以有效地簡化濾波，同時減輕重量、縮小體積并降低成本。

　    除此之外，電能的質(zhì)量也需要改善，對EMC(電磁兼容)的要求也比以往任何時候都更嚴格，標準規(guī)范和審批程序也更為復雜。所有這些需求必須得到滿足，同時，有關(guān)縮短開發(fā)周期的壓力也在不斷增加。滿足這一需求的最好方法是開發(fā)可以形成一個基礎平臺的產(chǎn)品，該平臺應該很容易得到擴展，以應付不斷增長的對功率等級的需求。

　     工作溫度與電流密度舉足輕重

　     正常地控制系統(tǒng)的工作需要良好的信息反饋，必須知道在工作中芯片的實際溫度——— 這使得在芯片上集成溫度傳感器并提供電氣隔離反饋變得必不可少。產(chǎn)品在應用中更進一步優(yōu)化可以通過對器件的散熱進行建模來實現(xiàn)，這樣，可以分析一些“次要”的散熱問題，例如熱串擾、等溫線失真和邊界效應以及上述問題的組合，從而可以得到成功的設計和可靠的功率模塊。

　    改進的半導體技術(shù)已使組件的結(jié)構(gòu)更好，開關(guān)速度更快。隨著第三代IGBT（絕緣柵雙極晶體管）芯片的出現(xiàn)，電流密度可增加50%。電流密度得到改善的原因之一是芯片厚度的大幅縮小，即便如此，芯片制造商仍然在探索繼縮小芯片厚度的技術(shù)。基于現(xiàn)有封裝和裝配技術(shù)的超薄晶圓技術(shù)已經(jīng)達到了它的極限，這一點可從以下事實看出：最新的600V溝道IGBT(芯片厚度為70μm)的最大允許短路時間，已經(jīng)從10μs減少到6μs。巨大的短路電力浪涌再也不能由薄芯片儲存，因為設計的熱阻抗使得熱量不能很快地散發(fā)掉。

　    半導體技術(shù)的改善和發(fā)展使得器件可能獲得更高的電流密度，從而提高芯片的溫度。2005年，600VIGBT和續(xù)流二極管的最高允許芯片溫度增加了25℃，達到175℃，并正在邁向200℃。

　    對器件而言，工作溫度和電流密度的提高對可靠性，尤其負載循環(huán)能力是有不良的影響的。為應對這一點，裝配技術(shù)的改進至關(guān)重要。

　     高效節(jié)能仰仗先進封裝技術(shù)

 　   對于提高器件效率而言，封裝是另一個變得日益重要的領(lǐng)域，把更多的組件(不只是芯片)集成到功率模塊陶瓷基板上的工作已經(jīng)取得了進展，這些技術(shù)上的進步可以直接降低組件的溫度，這將使實現(xiàn)更高的集成度成為可能，從而顯著提高效率和減少尺寸。

　    有無基板是不同功率模塊之間的一個根本區(qū)別。在無基板模塊中，DBC（直接敷銅）底板是直接安裝在散熱片上。基板(比如由3mm厚的銅板制成)增加了熱容量和芯片下方的熱擴散，與那些隔熱陶瓷底板為外層板的模塊相比，約在0.1s至1s的時間范圍內(nèi)減少了瞬態(tài)熱阻抗。必須注意的是，絕緣陶瓷底板和基板之間的大面積焊接明顯降低了組件的負載循環(huán)能力。出現(xiàn)這一現(xiàn)象的原因是因為陶瓷底板和基板有顯著不同的熱膨脹系數(shù)。這種差異導致張力以及最終的焊料疲勞。銅基板的另一種替代品是用諸如AlSiC或CuMo復合材料制成的基板，由于其低導熱性和高成本，這種基板只用在機車牽引應用中。基于石墨的復合材料由于其低成本，在未來可作為重要的基板材料。

　    在實際應用中，無基板模塊較低的熱擴散能力可由采用更薄的散熱涂層來補償。由于在無基板模塊中，模塊與散熱片之間的間隙較小，因此這種方法是可能的。

　    也可以通過確保模塊布局的對稱性來提高效率。模塊布局的對稱保證了電感是平均分布的，并且所有芯片對稱地共享等額的電流和開關(guān)。此外，平面組裝技術(shù)的使用和低雜散連接，功率模塊通常所伴隨的過電壓被降低，這使得開關(guān)效率提升了15%左右。

　    目前，碳化硅(SiC)器件的使用正日漸增多，尤其是在續(xù)流二極管和MOSFET中已經(jīng)得到良好的應用，它已經(jīng)在開關(guān)模式電源中找到了用武之地。碳化硅器件允許200℃的結(jié)溫，因此必須隨時監(jiān)測其對封裝的可靠性和所用材料(塑料)的影響。SiC的開關(guān)速度非常快，并能提供良好定義且嚴格受控的輸出功率。當碳化硅與最新一代IGBT產(chǎn)品配合使用時，系統(tǒng)的效率會提高20%-30%。然而，碳化硅器件的價格非常昂貴，在被廣泛應用之前還需要進一步的開發(fā)。

　    由此可見，功率半導體在用于電能傳輸和轉(zhuǎn)換的工業(yè)中是非常重要的，功率半導體新的應用領(lǐng)域是替代能源和汽車工業(yè)。功率半導體發(fā)展的最重要趨勢是冷卻技術(shù)的改善、電流密度的提高以及驅(qū)動器產(chǎn)品的進一步集成化。為提高系統(tǒng)的可靠性，器件工作溫度的升高和采取更有效的冷卻措施是主要途徑，開發(fā)新的封裝和裝配技術(shù)也是達到這一目的的重要手段。

1200V 1GBT芯片電流密度增長情況■