電氣系統(tǒng)中，關(guān)于效率，一直存在著成本和規(guī)模的壓力。如今，考慮這些系統(tǒng)的二氧化碳排放也變得重要了。對(duì)提升效率的需求，體現(xiàn)在電能的產(chǎn)生和使用兩個(gè)方面。在電能的產(chǎn)生方面，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的市場(chǎng)和功率等級(jí)正在不斷地增長，對(duì)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(chǎng)獲得發(fā)展，如德國和西班牙。混合動(dòng)力汽車只是那些必須盡可能使用電能的復(fù)雜系統(tǒng)的一個(gè)例子。諸如電氣“渦輪增壓”的開發(fā)將確保該技術(shù)不斷地發(fā)展。

    想象一下，把電力電子與絕大部分電氣應(yīng)用相結(jié)合以提供更好的利用是可能的。據(jù)估計(jì)，全世界由電力電子設(shè)備控制的電動(dòng)機(jī)不到總數(shù)的8%。采用電力電子設(shè)備控制電機(jī)，效率可以提高30%，因此這一領(lǐng)域有可能出現(xiàn)顯著的市場(chǎng)增長。

    為實(shí)現(xiàn)效率方面的最大節(jié)約，筆者需要將最好的硅，最好的冷卻技術(shù)和最佳的控制相結(jié)合。這一點(diǎn)將通過軟開關(guān)技術(shù)的改善、諧振變換器、更高的控制頻率(即硅片內(nèi)的頻率)以及可簡化濾波并減輕重量、體積和成本的較小磁性元件來實(shí)現(xiàn)。

    電能質(zhì)量需要改善，同時(shí)對(duì)emc的要求比以往任何時(shí)候都更嚴(yán)格。標(biāo)準(zhǔn)和審批加上復(fù)雜的要求。所有這些需求必須得到滿足，而有關(guān)開發(fā)速度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(gè)基礎(chǔ)平臺(tái)的產(chǎn)品，該平臺(tái)可以很容易擴(kuò)充，以應(yīng)付不斷增長的對(duì)功率等級(jí)的需求。

    為使控制工作正常，需要良好的信息反饋。必須知道硅片的真實(shí)溫度——這使得在硅片上集成溫度傳感器并提供電氣隔離反饋?zhàn)兊帽夭豢缮佟．a(chǎn)品在應(yīng)用中的更進(jìn)一步優(yōu)化可以通過熱建模實(shí)現(xiàn)。這使得“次要”熱問題 (熱串?dāng)_，等溫線失真和邊界效應(yīng))及其組合被加以分析，從而可以得到成功的設(shè)計(jì)和可靠的功率模塊。

    封裝是另一個(gè)將變得更加重要的領(lǐng)域。把更多的組件(不只是硅)集成到功率模塊陶瓷基板上的工作已經(jīng)取得了進(jìn)展，使得這些組件也可以獲得積極降溫。這將使實(shí)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。

    改進(jìn)的半導(dǎo)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芯片的出現(xiàn)，電流密度可增加50％。圖2顯示了過去幾十年間，1200vigbt芯片電流密度的增長情況。引起電流密度改善的原因之一是芯片厚度的大幅減少。這樣一個(gè)發(fā)展過程，即芯片厚度的持續(xù)減少，在后續(xù)芯片中仍將被芯片制造商繼續(xù)追求。基于現(xiàn)有安裝和裝配技術(shù)的超薄晶圓技術(shù)已經(jīng)達(dá)到了它的極限。這一點(diǎn)可從以下事實(shí)看出:最新的600v溝道igbt(芯片厚度為70μm)的最大允許短路時(shí)間，已經(jīng)不得不從10μs減少到6μs。巨大的短路電力浪涌再也不能由薄硅片儲(chǔ)存，設(shè)計(jì)的熱阻抗使得熱量不能很快地散失掉。半導(dǎo)體技術(shù)的改善和發(fā)展中使得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(dá)到175℃，并已經(jīng)正在邁向200℃。

    更高的運(yùn)行溫度和電流密度對(duì)可靠性，尤其是負(fù)載循環(huán)能力有不良的影響的。為應(yīng)對(duì)這一點(diǎn)，改進(jìn)安裝技術(shù)是至關(guān)重要的。    

圖1skim是第一款100%無焊接，用于電力和混合動(dòng)力汽車中22kw?150kw機(jī)車驅(qū)動(dòng)變換器的igbt模塊   

    不同功率模塊之間的一個(gè)根本區(qū)別是，它們有無基板。在無基板模塊中（圖 3），dbc底板是直接安裝在散熱片上。基板，比如由3mm厚的銅制成，增加了熱容量和芯片下方的熱擴(kuò)散，從而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(shí)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組件的負(fù)載循環(huán)能力。這一現(xiàn)象的原因是因?yàn)樘沾傻装搴突�板有顯著不同的熱膨脹系數(shù)。這種差異導(dǎo)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(fù)合材料制成的基板，由于其低導(dǎo)熱性和高成本，這種基板只用在牽引應(yīng)用中。基于石墨的復(fù)合材料由于其低成本，在未來可作為重要的基板材料。在實(shí)際應(yīng)用中，無底板模塊較低的熱擴(kuò)散能力可由采用更薄的散熱涂層來補(bǔ)償。由于無底板模塊中，模塊與散熱片之間的空氣隙較小，因此這種方法是可能的(圖4)。

    也可以通過確保模塊布局是對(duì)稱的來提高效率。模塊布局的對(duì)稱保證了電感是平均分布的，并且所有芯片對(duì)稱地共享等額的電流和開關(guān)。再加上平面組裝技術(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，使得開關(guān)效率提升15％左右。碳化硅(sic)正開始侵襲，尤其是在續(xù)流二極管和mosfet中。它已經(jīng)在開關(guān)模式電源中找到了許多應(yīng)用場(chǎng)合。碳化硅允許200℃的結(jié)溫。對(duì)于組裝技術(shù)的可靠性和所用材料(塑料)的影響必須被監(jiān)視。sic的開關(guān)速度非常快，并提供良好受控和定義的輸出。當(dāng)與最新一代igbt產(chǎn)品配合使用時(shí)，系統(tǒng)的效率會(huì)提高百分之二十至三十。然而，它仍然非常昂貴，在被廣泛應(yīng)用之前還需要進(jìn)一步的開發(fā)。因此可以說，功率半導(dǎo)體在用于電能傳輸和轉(zhuǎn)換的電子工業(yè)中是非常重要的。功率半導(dǎo)體的新興市場(chǎng)是替代能源領(lǐng)域和汽車工業(yè)。標(biāo)記功率半導(dǎo)體發(fā)展的最重要的趨勢(shì)是冷卻技術(shù)的改善、較高的電流密度以及集成驅(qū)動(dòng)器電子產(chǎn)品。在可靠性費(fèi)用方面，更高的運(yùn)行溫度和更好的冷卻是唯一可行的。對(duì)付這個(gè)問題的唯一辦法是開發(fā)新的安裝和裝配的概念。