功率模块技术演进提升电气系统效率

      赛米控公司总经理 PaulNewman

　     把电力器件与电气应用相结合是一种有效利用电能的方法。工作温度和电流密度是衡量器件性能的重要指标。功率半导体发展的重要趋势是冷却技术的改善、电流密度的提高以及驱动器产品的进一步集成化。

　    针对电气系统的效率提升，成本和体积一直是人们关注的焦点。如今，随着环保压力的不断加大，对二氧化碳排放量的控制也变得日益重要了。

　     提高用电效率是当务之急

　     人们通常从电能的产生和使用两个方面入手来提升电气系统的效率。在电能的产生方面，风力发电系统的市场和功率等级正在不断地增长，对更高离岸电压系统的需求也在增长；太阳能发电正在一些市场获得发展，德国和西班牙表现得尤为突出；在那些需要尽可能使用电能的复杂系统中，混合动力汽车是一个典型例子，诸如电气“涡轮增压”技术的开发将确保该领域的技术持续发展。

　    采用电力电子设备控制电机，用电效率可以提高30%。可以想象，把电力电子器件与绝大部分电气应用相结合不失为一种更有效地利用电能的方法。然而，据估算，由电力设备控制的电动机不到全世界电动机总数的8%，因此这一领域的市场有可能出现显著的增长。

　    为尽可能地提高系统的效率，我们需要将最好的芯片、最先进的冷却技术和最佳的控制手段相结合，这将通过改善软开关技术、应用谐振变换器、提高控制频率、减小磁性元件尺寸等一系列手段得以实现。通过采用这些手段，可以有效地简化滤波，同时减轻重量、缩小体积并降低成本。

　    除此之外，电能的质量也需要改善，对EMC(电磁兼容)的要求也比以往任何时候都更严格，标准规范和审批程序也更为复杂。所有这些需求必须得到满足，同时，有关缩短开发周期的压力也在不断增加。满足这一需求的最好方法是开发可以形成一个基础平台的产品，该平台应该很容易得到扩展，以应付不断增长的对功率等级的需求。

　     工作温度与电流密度举足轻重

　     正常地控制系统的工作需要良好的信息反馈，必须知道在工作中芯片的实际温度——— 这使得在芯片上集成温度传感器并提供电气隔离反馈变得必不可少。产品在应用中更进一步优化可以通过对器件的散热进行建模来实现，这样，可以分析一些“次要”的散热问题，例如热串扰、等温线失真和边界效应以及上述问题的组合，从而可以得到成功的设计和可靠的功率模块。

　    改进的半导体技术已使组件的结构更好，开关速度更快。随着第三代IGBT（绝缘栅双极晶体管）芯片的出现，电流密度可增加50%。电流密度得到改善的原因之一是芯片厚度的大幅缩小，即便如此，芯片制造商仍然在探索继缩小芯片厚度的技术。基于现有封装和装配技术的超薄晶圆技术已经达到了它的极限，这一点可从以下事实看出：最新的600V沟道IGBT(芯片厚度为70μm)的最大允许短路时间，已经从10μs减少到6μs。巨大的短路电力浪涌再也不能由薄芯片储存，因为设计的热阻抗使得热量不能很快地散发掉。

　    半导体技术的改善和发展使得器件可能获得更高的电流密度，从而提高芯片的温度。2005年，600VIGBT和续流二极管的最高允许芯片温度增加了25℃，达到175℃，并正在迈向200℃。

　    对器件而言，工作温度和电流密度的提高对可靠性，尤其负载循环能力是有不良的影响的。为应对这一点，装配技术的改进至关重要。

　     高效节能仰仗先进封装技术

 　   对于提高器件效率而言，封装是另一个变得日益重要的领域，把更多的组件(不只是芯片)集成到功率模块陶瓷基板上的工作已经取得了进展，这些技术上的进步可以直接降低组件的温度，这将使实现更高的集成度成为可能，从而显著提高效率和减少尺寸。

　    有无基板是不同功率模块之间的一个根本区别。在无基板模块中，DBC（直接敷铜）底板是直接安装在散热片上。基板(比如由3mm厚的铜板制成)增加了热容量和芯片下方的热扩散，与那些隔热陶瓷底板为外层板的模块相比，约在0.1s至1s的时间范围内减少了瞬态热阻抗。必须注意的是，绝缘陶瓷底板和基板之间的大面积焊接明显降低了组件的负载循环能力。出现这一现象的原因是因为陶瓷底板和基板有显著不同的热膨胀系数。这种差异导致张力以及最终的焊料疲劳。铜基板的另一种替代品是用诸如AlSiC或CuMo复合材料制成的基板，由于其低导热性和高成本，这种基板只用在机车牵引应用中。基于石墨的复合材料由于其低成本，在未来可作为重要的基板材料。

　    在实际应用中，无基板模块较低的热扩散能力可由采用更薄的散热涂层来补偿。由于在无基板模块中，模块与散热片之间的间隙较小，因此这种方法是可能的。

　    也可以通过确保模块布局的对称性来提高效率。模块布局的对称保证了电感是平均分布的，并且所有芯片对称地共享等额的电流和开关。此外，平面组装技术的使用和低杂散连接，功率模块通常所伴随的过电压被降低，这使得开关效率提升了15%左右。

　    目前，碳化硅(SiC)器件的使用正日渐增多，尤其是在续流二极管和MOSFET中已经得到良好的应用，它已经在开关模式电源中找到了用武之地。碳化硅器件允许200℃的结温，因此必须随时监测其对封装的可靠性和所用材料(塑料)的影响。SiC的开关速度非常快，并能提供良好定义且严格受控的输出功率。当碳化硅与最新一代IGBT产品配合使用时，系统的效率会提高20%-30%。然而，碳化硅器件的价格非常昂贵，在被广泛应用之前还需要进一步的开发。

　    由此可见，功率半导体在用于电能传输和转换的工业中是非常重要的，功率半导体新的应用领域是替代能源和汽车工业。功率半导体发展的最重要趋势是冷却技术的改善、电流密度的提高以及驱动器产品的进一步集成化。为提高系统的可靠性，器件工作温度的升高和采取更有效的冷却措施是主要途径，开发新的封装和装配技术也是达到这一目的的重要手段。

1200V 1GBT芯片电流密度增长情况■