混合集成技术在电源中的应用

1、王兆安 l概述 l电力电子集成技术的基本概念 l国际电力电子集成技术的研究概况 l国内的研究进展 l结论 l 电能是目前人类生产和生活中最重要的一种能 源形式。合理、高效、精确和方便地利用电能 仍然是人类所面临的重大问题。 l 在世界范围内，用电总量中经过电力电子装置 变换和调节的比例已经成为衡量用电水平的重 要指标，目前，全球范围内该指标的平均数为 40%，而到2010年将达到80%1。这就对电源 技术提出了新的挑战。 l 目前电力电子电源技术面临的共同问题 进一步小型化和轻量化 l高频化 l元器件、结构的小型化 设计难度大 l系统复杂 l设计器件、电路、控制、电磁、传热等诸多技术 l需要较

2、深入的专业知识 制造自动化程度低 l元件数量多 l形状和安装方法非标准化的元件多 l 这些问题的解决将极大拓展电源技术的应用范围，带来 一次革命。 l电源的集成化 图1 电源的结构 l 为什么要集成化 简化设计 l将电力电子装置设计中面临的主要问题都在模块内解决 l降低装置级和系统级的设计难度 l减小设计工作量 简化制造 l减少装置与系统的元件数量 l规范元器件形状和安装方式 降低成本 l一次设计多次应用，分摊设计成本 l批量生产，降低模块制造成本 l结构简化，降低装置成本 提高性能 l小型化，轻量化 l寄生参数减小，开关应力降低 l结构紧凑，电磁干扰降低 l 集成所面临的问题 封装与互连 l

3、集成模块采用的工艺与分立元件装置不同 l目前更多的沿用集成电路的方法 l现有互连和封装技术还不能令人满意 电磁兼容 l强弱电路空间距离远小于分立元件装置，电磁兼容问题凸现 l对电磁场分析、电磁兼容模型、电路设计等方面提出了新的挑战 传热 l与普通的集成电路相比，电力电子集成模块的发热量大23个数量级 l与分立元件构成的装置相比，集成模块热集中的问题严重得多 l在集成模块内部，控制电路元件会被发热量较大的开关元件“加热” 可靠性与成品率 l集成模块内的元件数将比现有功率模块乃至IPM都多得多 l可靠性和制造的成品率是随着元件数的增加而降低的 l可靠性决定着模块的可用性。成品率在很大程度上决定了模

4、块的成本 l 集成的方法 单片集成 l将功率器件、驱动、控制和保护电路制作在同一硅片上 l制造难度很大，目前仅在小功率范围有所应用(TopSwitch) 图 3 TopSwitch单片开关电源集成电路内部框图 混合集成 l将分别包含功率器件、驱动、保护和控制电路的多个硅片封入同一 模块中，形成具有部分或完整功能的、相对独立的单元 l可以较好的解决不同工艺的电路间的组合与高电压隔离等问题 l是目前电力电子集成技术的主流方式。 图4 采用混合集成技术的600W电源 图5 采用混合集成技术的1kW电源 l系统集成 将已有的实体经过有机的组合及拼装形成一个 完整的系统 是目前在工程技术领域普遍采用的集

5、成方案 不是国际电力电子学界所谈论的主要集成方式 l电力电子集成模块的电路 图6 硬开关半桥型电路 图 7 软开关不对称半桥型电路 l电力电子集成模块的封装技术 铝丝压焊工艺 l是目前最常用的工艺 图 8 采用铝丝压焊工艺的半桥型电路 图 9 安装了驱动电路的集成模块 l 电力电子集成模块的封装技术 铝丝压焊工艺存在的问题 l互连线寄生电感较大，会给器件带来较高的开关过电压 l多根铝丝并联的临近效应导致电流分布不均，造成局部电流集中 l电磁力使铝丝产生振动，容易疲劳失效。 l铝丝较细，传热性能不够好 替代铝丝压焊的技术 l多芯片模块(Multi-Chip Module-MCM) l焊球矩阵(B

6、all Grid Array-BGA) 图 11 采用MCM技术的集成模块 图 12 采用焊球阵列技术的集成模块 l 磁集成和无源元件集成技术 磁集成技术 电容元件和磁性元件的集成 图 13 磁集成模块的结构 图 14 磁集成模块的实例 l模块封装技术的研究 图15 采用铝基板和铝丝压焊技术的全桥型电路模块 l用于集成模块的驱动和保护电路 图16 用于集成模块内的驱动电路 l集成模块的数字化控制技术 图17 采用DSP和IPM构成的三相变流器集成模块 l 电力电子集成技术是目前电力电子技术领域最为重要的研究方向，电力电子集成技术是目前电力电子技术领域最为重要的研究方向， 必将成为未来该领域的研

7、究热点，并在某种程度上决定电力电子必将成为未来该领域的研究热点，并在某种程度上决定电力电子 技术未来的兴衰命运。技术未来的兴衰命运。 l 作为电力电子技术的重要组成，电源技术也必将向集成化发展。作为电力电子技术的重要组成，电源技术也必将向集成化发展。 l 单片集成、混合集成和系统集成可以看成是电力电子集成的不同单片集成、混合集成和系统集成可以看成是电力电子集成的不同 层次和形式，现阶段，单片集成局限于小功率范围，中功率领域层次和形式，现阶段，单片集成局限于小功率范围，中功率领域 多采用混合集成或混合集成与系统集成相结合的形式，而大功率多采用混合集成或混合集成与系统集成相结合的形式，而大功率 领域仍以系统集成为主。由于具有更高的集成度和更好的性能，领域仍以系统集成为主。由于具有更高的集成度和更好的性能， 单片集成和混合集成是未来集成技术的主要发展方向。单片集成和混合集成是未来集成技术的主要发展方