功率半導(dǎo)體模塊的發(fā)展趨勢

　　功率電子模塊的集成度。半導(dǎo)體模塊之間的差異，不僅僅體現(xiàn)在連接技術(shù)方面。另一個差別因素是附加有源和無源器件的集成度。根據(jù)集成度不同，可分為以下幾類：標準模塊，智能功率模塊（ipm），（集成）子系統(tǒng)。在ipm被廣泛使用（尤其在亞洲地區(qū)）的同時，集成子系統(tǒng)的使用只剛剛起步。

　　1、智能功率模塊

　　智能功率模塊的特點在于除了功率半導(dǎo)體器件外，還有驅(qū)動電路。許多ipm模塊也配備了溫度傳感器和電流平衡電路或用于電流測量的分流電阻。通常智能功率模塊也集成了額外保護和監(jiān)測功能，如過電流和短路保護，驅(qū)動器電源電壓控制和直流母線電壓測量等。

　　然而，大部分智能功率模塊沒有對功率側(cè)的信號輸入進行電氣隔離。只有極少數(shù)的ipm包含了一個集成光耦。另一種隔離方案是采用變壓器進行隔離。

　　通常，小規(guī)模的ipm的特點在于其引線框架技術(shù)。穿孔銅板用作功率開關(guān)和驅(qū)動ic的載體。通過一層薄薄的塑料或絕緣金屬板進行散熱。

　　用于中高功率應(yīng)用的ipm模塊的設(shè)計特點是將模塊分為兩個層次。功率半導(dǎo)體在底部，驅(qū)動器和保護電路在上部。本領(lǐng)域內(nèi)名氣最大的ipm是賽米控的skiip？，已面市超過了10年。這種無底板ipm系列產(chǎn)品的最大額定電流是2400a，包括一個驅(qū)動器和保護功能，加上電流傳感器、電氣隔離和電源。這些模塊裝在風冷或水冷冷卻器上，并在供貨前進行全面的測試。

　　一個有趣的趨勢是將標準模塊升級為ipm。可直接或使用帶驅(qū)動電路（通過彈簧連接）的適配器板來進行升級。賽米控的skypertm驅(qū)動器是這方面理想的產(chǎn)品。

　　2、集成子系統(tǒng)

　　所有這些ipm的共同點是真實的“智能”，即將設(shè)定點值轉(zhuǎn)換成驅(qū)動脈沖序列的控制器不包含在模塊中。賽米控是250kw以下轉(zhuǎn)換器用集成子系統(tǒng)的核心制造商。skaitm模塊也是ipm，其特點是集成了dsp控制器，除脈寬調(diào)制外，還可進行其它通信任務(wù)。這些子系統(tǒng)也包含集成直流環(huán)節(jié)電容器，一個輔助電源，精密電流傳感器和一個液體冷卻器。

　　功率半導(dǎo)體器件的基本功能和用途

　　功率半導(dǎo)體器件（PowerSemiconductorDevice），也可以叫做電力半導(dǎo)體器件。電力電子技術(shù)離不開電力電子變換器（PowerConverter）。電力電子變換器是進行電力特征形式變換的電力電子電路和裝置的總稱，它有如下4種基本模式：直-交（DC/AC）逆變模式、交-交（AC/AC）變頻模式、交-直（AC/DC）整流模式和直-直（DC/DC）變換模式。

　　電力電子變換器的形式多種多樣，但一般以功率半導(dǎo)體器件、不同拓撲形式的電路和不同的控制策略作為基本組成元素，也稱為“變換器三要素”。圖1為一個典型的電力電子變換器示意圖。

　　功率半導(dǎo)體器件是電力電子技術(shù)及其應(yīng)用裝置的基礎(chǔ)，是推動電力電子變換器發(fā)展的主要源泉。功率半導(dǎo)體器件處于現(xiàn)代電力電子變換器的心臟地位，它對裝置的可靠性、成本和性能起著十分重要的作用。40年來，普通晶閘管（Thyristor，SCR）、門極關(guān)斷晶閘管（GTO）和絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）先后成為功率半導(dǎo)體器件的發(fā)展平臺。能稱為“平臺”者，一般是因為它們具備以下幾個特點：①長壽性，即產(chǎn)品生命周期長；②滲透性，即應(yīng)用領(lǐng)域?qū)挘虎叟缮裕纯梢耘缮龆鄠€相關(guān)新器件家屬。

　　電力電子變換器的功率等級覆蓋范圍非常廣泛，包括小功率范圍（幾W到幾kW），如筆記本電腦、冰箱、洗衣機、空調(diào)等；中功率范圍（10kW到幾MW），如電氣傳動、新能源發(fā)電等；大功率范圍（高達幾GW），如高壓直流（HVDC）輸電系統(tǒng)等。

　　電力電子變換器的應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛，同時也對功率半導(dǎo)體器件提出了更高的性能需求。繼前些年推出集成門極晶閘管（IGCT）和電子注入增強型柵極晶體管（IEGT）后，如今采用碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）材料的新型功率器件已經(jīng)應(yīng)運而生。目前，功率半導(dǎo)體的發(fā)展主要是其功率承受能力和開關(guān)頻率之間的矛盾，往往功率越大，耐壓越高，允許的開關(guān)頻率就越低。從功率半導(dǎo)體器件的個體來說，大功率和高頻化仍是現(xiàn)階段發(fā)展的兩個重要方向。

　　功率半導(dǎo)體器件應(yīng)用需要考慮大功率電路應(yīng)用的特性，如絕緣、大電流能力等，在實際應(yīng)用中，以動態(tài)的“開”和“關(guān)”為運行特征，一般不運行在放大狀態(tài)。由功率半導(dǎo)體器件構(gòu)成的電力電子變換器實施的是電磁能量轉(zhuǎn)換，而不是單純的開/關(guān)狀態(tài)，它的很多非理想應(yīng)用特性在電力電子變換器中起著舉足輕重的作用。要用好功率半導(dǎo)體器件，既要熟悉電力電子變換器的拓撲，更要充分掌握器件本身的特性。