功率模塊技術(shù)演進(jìn)?電氣系統效率提升

　    賽米控公司總經(jīng)理 PaulNewman

　     把電力器件與電氣應用相結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動(dòng)器產(chǎn)品的進(jìn)一步集成化。

　    針對電氣系統的效率提升，成本和體積一直是人們關(guān)注的焦點(diǎn)。如今，隨著(zhù)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(wù)之急

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

　    采用電力電子設備控制電機，用電效率可以提高30%?？梢韵胂?，把電力電子器件與絕大部分電氣應用相結合不失為一種更有效地利用電能的方法。然而，據估算，由電力設備控制的電動(dòng)機不到全世界電動(dòng)機總數的8%，因此這一領(lǐng)域的市場(chǎng)有可能出現顯著(zhù)的增長(cháng)。

　    為盡可能地提高系統的效率，我們需要將最好的芯片、最先進(jìn)的冷卻技術(shù)和最佳的控制手段相結合，這將通過(guò)改善軟開(kāi)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(shí)現。通過(guò)采用這些手段，可以有效地簡(jiǎn)化濾波，同時(shí)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(shí)候都更嚴格，標準規范和審批程序也更為復雜。所有這些需求必須得到滿(mǎn)足，同時(shí)，有關(guān)縮短開(kāi)發(fā)周期的壓力也在不斷增加。滿(mǎn)足這一需求的最好方法是開(kāi)發(fā)可以形成一個(gè)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(cháng)的對功率等級的需求。

　     工作溫度與電流密度舉足輕重

　     正常地控制系統的工作需要良好的信息反饋，必須知道在工作中芯片的實(shí)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(jìn)一步優(yōu)化可以通過(guò)對器件的散熱進(jìn)行建模來(lái)實(shí)現，這樣，可以分析一些“次要”的散熱問(wèn)題，例如熱串擾、等溫線(xiàn)失真和邊界效應以及上述問(wèn)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(jìn)的半導體技術(shù)已使組件的結構更好，開(kāi)關(guān)速度更快。隨著(zhù)第三代IGBT（絕緣柵雙極晶體管）芯片的出現，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)?；诂F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(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)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(diǎn)，裝配技術(shù)的改進(jìn)至關(guān)重要。

　     高效節能仰仗先進(jìn)封裝技術(shù)

 　   對于提高器件效率而言，封裝是另一個(gè)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(jìn)展，這些技術(shù)上的進(jìn)步可以直接降低組件的溫度，這將使實(shí)現更高的集成度成為可能，從而顯著(zhù)提高效率和減少尺寸。

　    有無(wú)基板是不同功率模塊之間的一個(gè)根本區別。在無(wú)基板模塊中，DBC（直接敷銅）底板是直接安裝在散熱片上?；?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(shí)間范圍內減少了瞬態(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。出現這一現象的原因是因為陶瓷底板和基板有顯著(zhù)不同的熱膨脹系數。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(chē)牽引應用中?；谑膹秃喜牧嫌捎谄涞统杀?，在未來(lái)可作為重要的基板材料。

　    在實(shí)際應用中，無(wú)基板模塊較低的熱擴散能力可由采用更薄的散熱涂層來(lái)補償。由于在無(wú)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(guò)確保模塊布局的對稱(chēng)性來(lái)提高效率。模塊布局的對稱(chēng)保證了電感是平均分布的，并且所有芯片對稱(chēng)地共享等額的電流和開(kāi)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(guò)電壓被降低，這使得開(kāi)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，尤其是在續流二極管和MOSFET中已經(jīng)得到良好的應用，它已經(jīng)在開(kāi)關(guān)模式電源中找到了用武之地。碳化硅器件允許200℃的結溫，因此必須隨時(shí)監測其對封裝的可靠性和所用材料(塑料)的影響。SiC的開(kāi)關(guān)速度非?？?，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(shí)，系統的效率會(huì )提高20%-30%。然而，碳化硅器件的價(jià)格非常昂貴，在被廣泛應用之前還需要進(jìn)一步的開(kāi)發(fā)。

　    由此可見(jiàn)，功率半導體在用于電能傳輸和轉換的工業(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(chē)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動(dòng)器產(chǎn)品的進(jìn)一步集成化。為提高系統的可靠性，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(kāi)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(cháng)情況