開(kāi)關(guān)電源轉換器電力電子集成技術(shù)

　　電力電子電源設備的制造特點(diǎn)是：非標準件多，設計周期長(cháng)、成本高、可靠性低、工作量大，而用戶(hù)要求制造廠(chǎng)生產(chǎn)的電力電子產(chǎn)品要實(shí)用 、可靠性要高，體積重量要小，成本要低。這就使生產(chǎn)廠(chǎng)家承受的壓力很大，迫切需要開(kāi)展集成電力電子模塊的研究開(kāi)發(fā)，使電力電子產(chǎn)品標 準化、模塊化，可制造性、規模生產(chǎn)、降低成本等目標得以實(shí)現。

　　實(shí)際上，在電力電子集成技術(shù)的發(fā)展進(jìn)程中，已經(jīng)經(jīng)歷了功率半導體器件的模塊化、功率與控制電路的集成化、無(wú)源元件的集成（包括磁集成 技術(shù)）等發(fā)展階段。

　　1）電力電子器件模塊

　　電力電子電路常常由多個(gè)電力電子器件組成，如一個(gè)雙向開(kāi)關(guān)至少需要兩個(gè)三端器件和兩個(gè)二極管組成；考慮到串/并聯(lián)、單相、三相半橋或 全橋開(kāi)關(guān)電路要用幾個(gè)，甚至幾十個(gè)開(kāi)關(guān)器件和一些輔助器件（如快速二極管）組成。電力電子轉換器的功率電子器件之間的互連線(xiàn)多、寄生電 感大。為了使其結構緊湊、體積小、加工方便，更為了縮短開(kāi)關(guān)器件之間的互連導線(xiàn)，減小電感，電力電子器件必須實(shí)現模塊化、集成化。將 若干個(gè)功率開(kāi)關(guān)器件和快速二極管組合成標準的電力電子器件模塊（Power Modu1e），是集成電力電子技術(shù)發(fā)展進(jìn)程中最原始和最簡(jiǎn)單的集成化 、模塊化。逆阻（Reverse B1ocking，RB）IGBT的出現，使雙向IGBT開(kāi)關(guān)省去了兩個(gè)二極管，有利于組成矩陣轉換器模塊。

　　但是，電力電子器件模塊僅僅是若干電力電子器件的集成，還沒(méi)有與驅動(dòng)、控制、保護、檢測、通信等功能集成，有待于進(jìn)一步發(fā)展。

　　2）智能功率模塊

　　20世紀80年代開(kāi)發(fā)了智能電力電子模塊（Inte11igent Power Modu1e，IPM）將電力電子器件與驅動(dòng)、智能控制、保護、邏輯電路等集成封裝， IPM又稱(chēng)為智能電力電子集成電路（Smart Power IC）。

　　近幾年來(lái)的發(fā)展方向是將小功率系統集成在一個(gè)芯片上（Systemn Chip），可以使電力電子產(chǎn)品更為緊湊，體積更小，也減小了引線(xiàn)的長(cháng)度， 從而減小了寄生參數。在此基礎上，可以實(shí)現一體化（A11 in ONe），將所有元器件連同控制保護集成在一個(gè)模塊中。有報道稱(chēng)，美國有研究人員將小功率異步電動(dòng)機的運動(dòng)控制系統（包括逆變器、微處理器、控制保護電路）集成在電動(dòng)機內，形成傳動(dòng)控制系統與電動(dòng)機的 一體化。

　　3）集成電力電子系統

　　20世紀90年代，隨著(zhù)大規模分布電源系統的發(fā)展，IPM的設計觀(guān)念被推廣到更大容量、更高電壓的集成電力電子電路，并提高了集成度，稱(chēng)為 集成電力電子模塊（IntegratedPower E1ectronics Modu1e，IPEM）。將電力電子器件與電路、控制、以及檢測、執行等元器件集成封裝，得到 標準的、可制造的IPEM模塊、既可用于標準設計，又可用于專(zhuān)用特殊設計。優(yōu)點(diǎn)是可以快速高效地為用戶(hù)提供產(chǎn)品，顯著(zhù)降低了成本，提高了 可靠性。

　　應用了嵌人式電力電子半導體功率器件的多層集成封裝技術(shù)，可以把包括散熱板、基板、絕緣傳熱材料、功率母線(xiàn)、電力半導體功率器件、 銅層、陶瓷、集成無(wú)源元件、金屬層、表面貼裝芯片（驅動(dòng)、檢測及保護元件）等封裝在一起。

　　IPEM模塊的設計，既要考慮到電路的連接，也要考慮到熱流通路和散熱。過(guò)去功率半導體器件中芯片互連的傳統方法是鋁絲鍵合法，性能和 可靠性均比較差。電路靠導線(xiàn)連接，增大了寄生電感?，F在IPEM模塊中用噴涂金屬層、表面貼裝金屬層等平面金屬化技術(shù)連通電路，可以使寄 生參數減到最小。