电子器件的模块化技术现状和发展趋势参考文档

电子器件的模块化技术现状和发展趋势 学号 110052174黎夏 1 2 1904 1930 1947 1957 1970 1980 1990 2000 t 年 3 模块化技术现状1功率模块2单片集成式模块3智能功率模块 IPM 4 1功率模块功率模块主要是功率电子电力器件按一定的功能组合再灌封成一个模块 1 电力电子变换器电力电子变换器常常需要多个功率器件组成 能将电力从交流转换为直流 整流器 直流转换为直流 斩波器 直流转换为交流 逆变器 同频率交流转换为交流 交流控制器 变频率交流转换为交流 周波变换器 变换器被广泛用于加热和灯光控制 交流和直流电源 电化学过程 直流和交流电极驱动 静态无功补偿 有源谐波滤波等等 5 6 7 2 变频器变频器主电路也有专用的功率器件标准模块 可以灵活地组装成各种单相 三相半桥或全桥逆变器下图为IGBT模块的几种组合方式 基本单元和二单元除了基本单元和二单元外 典型组合方式还有六单元模块和七单元IGBT模块 六单元IGBT模块由6个IGBT和6个FD组成 有13个接线端 形成一台三相变频器 同样可以几个模块并联 以便用于更大电流应用 七单元IGBT模块 由7个IGBT和7个FD组成 可构成变频器和制动电路 还可以内置其他器件 如桥式整流电路的二极管 以及检测温度用的热敏电阻等 8 德州仪器 TI 最近推出了一款同步MOSFET半桥功率模块 这一全新功率模块通过高级封装主要特性与优势包括 1 可在25A电流下实现超过90 高效率2 通过高级封装技术将2个非对称NexFET功率MOSFET进行了完美整合 高低侧MOSFET的导通电阻仅为5毫欧和2 1毫欧 效率提高2 功率损耗低20 3 能够以高达1 5MHz的开关频率生成高达40A的电流 从而可显著降低解决方案尺寸与成本 4 最高输入耐压为25V 非常适合12V输入的电源中间总线 日本半导体制造商推出的 全SiC 功率模块 额定1200V 100A 1 内置功率半导体元件全部采用SiC构成 2 与普通的Si材质的IGBT模块相比 开关损耗降低85 3 与传统的200 400A级别的Si IGBT模块相替换时 体积减小约50 4 发热少 可减小外置的冷却装置体积 非常有助于设备整体的小型化 9 浙江省嘉兴市嘉兴斯达携最新IGBT产品亮相2012上海慕尼黑电子展产品用于功率范围从0 5kw至1mw以上的不同领域 包括 变频器 电焊机 感应加热 激光 太阳能电装置 高压直流输变电装置 家用电器 机车牵引 ups 医疗设备等等 IGBT3晶片具有如下优点 1 最大结温tjmax 150 2 可靠性高 3 饱和压降低 vcesat 2v 4 效率高 与标准的IGBT相比有20 的提高 5 可以省略附加保护电路 6 VCES 600VIcnom 600AIcRM 1200A 10 11 IGBT发展到今天 已经开发出第六代技术的产品 新的模块发展方向是低噪声辐射 高新能 紧凑型 低热组的封装技术跟第六代IGBT模块结合起来使其功能更加完美 日本富士公司开发的TrenchFSIGBT的新型模块 矩阵变换器专用的逆阻型模块 德国EUPEC公司开发了中等功率传动用IGBT模块 模块的基板上内置电流取样电阻 可测量35kW等级逆变器的电流 德国Semikron电子公司开发的MiniSKiip型CIB 整流 逆变 制动斩波 模块 并推向市场 2009年Semikron又推出新一代MiniSKiip 型CIB模块 使用当今前沿的芯片封装 改善热阻 减小尺寸 为0 37 30kW变频器提供低成本 紧凑型1200V及600V功率模块 模块内还集成一个温度传感器 以检测模块内温度 12 2单片集成式模块随着半导体集成电路技术的进步和发展 将功率器件 驱动 控制 保护等电路 集成在一个硅片上 形成所谓单片集成 Systemonchip 模块 美国功率集成 PowerIntegration 公司开发的单片系列开关电源芯片 DPA Switch PKS Switch LNK Switch TNY Switch TOP Switch等等 这些都是一种高频开关电源专用的模块 第五代产品TOPSwitch HX 具有软启动 线性限压检测 远程通 断控制 在线热关闭选通 并可调至零负载和由用户设置精确的限流值等功能 TOPSwitch HX有33种型号 如TOP254 TOP262等 这种模块将功率MOS管和PWM电路集成在同一芯片上 可另外配接桥式整流电路 电感 电容 二极管及变压器 用以组装成130kHz 250W以下的Buck Boost Forward Flyback等DC DC或AC DC开关变换器 其特点是外围电路简单 成本低廉 13 下图给出TOP242 250的功能方块图单片集成模块简单 应用方便 但由于传热 隔离等问题还没有有效解决 而且用单片集成技术将高电压 大电流功率器件和控制电路集成在一起的难度较大 目前这种集成方法只适用于小功率电力电子电路中 14 15 3智能功率模块IPM智能功率模块是一种先进的功率开关器件 具有大功率晶体管高电流密度 低饱和电压和耐高压的优点 以及场效应晶体管高输入阻抗 高开关频率和低驱动功率的优点 而且IPM内部集成了逻辑 控制 检测和保护电路 使用起来方便 不仅减小了系统的体积以及开发时间 也大大增强了系统的可靠性 在电力电子领域得到了越来越广泛的应用 将具有驱动 控制 自保护 自诊断功能的IC与电力电子器件集成 封装在一个绝缘外壳中 形成相对独立 有一定功能的模块 功率半导体器件和IC安装在同一基片上 用引线键合互连 并应用了表面贴装技术 IPM由高速 低功率的IGBT芯片和优选的门级驱动及保护电路构成 IPM根据内部功率电路配置的不同可分为四类 H型 内部封装一个IGBT D型 内部封装两个IGBT C型 内部封装六个IGBT 和R型 内部封装七个IGBT 小功率的IPM使用多层环氧绝缘系统 中大功率的IPM使用陶瓷绝缘 16 针对现有栅极驱动芯片M57962L体积大 环境适应性差的问题 经过深入调研 选用1ED020I12 FA栅极驱动芯片代替M57962L 设计基于该芯片的新型功率驱动电路 并对其栅极驱动性能 过流保护 故障恢复 功率消耗等性能非常好 1ED020I12 FA的新型驱动电路具有开关速度快 体积小 功耗低 温度范围宽的优点 可以替代现有驱动电路 综合电力系统的控制 单列直插式智能功率模块 实现成本效率 是专为家电和低功率工业应用特点 更高的可靠性 故障信号分析 过流保护 温度传感器 被动元件 隔离散热器 SOI门驱动器优良的电气性能 17 带有分开的电源装置和控制单元 SINAMICSS120变频调速柜驱动系统可完美地满足大量不同驱动任务的要求 1 转速控制 转矩控制 定位功能2 智能启动功能 用于电源中断后的独立重新启动3 驱动器相关I O4 集成安全功能5 调节的馈电 再生反馈功能 18 20世纪80年代即已开发 日本东芝 富士电机 Eupec Semikron Powerex等公司都生产IPM 日本三菱公司的模块代表当今模块技术的发展水平 该公司20世纪80年代末就致力于研究开发代智能保护功能的功率模块 目前已生产出用于110KW变频器的IPM模块 居世界领先水平 其主要问题是 互连线不可靠 寄生元件 电阻 电感 太多 一维散热 在kW级小功率电力电子系统中应用 进一步的发展方向是多芯片模块封装以及集成电力电子封装技术 19 模块化的发展趋势 第一 电子器件的模块化的发展是以新型电子器件 新型材料 新技术等的发展为依托 第二 新型电子元器件模块化向着高频化 微型化 薄型化 低功耗 响应速率快 高分辨率 高精度 高功率 多功能 复合化 模块化和智能化等的发展趋势 同时 向着安全性和绿色化发展 第三 制作工艺精密化 流程自动化 生产环境也要求越来越高 投资力度越来越大 还要加上产品的一致性 稳定性 精度和成本因素 才能确立企业