電力半導(dǎo)體模塊的發(fā)展過程

    一種新型器件的誕生往往使整個裝置系統(tǒng)面貌發(fā)生巨大改觀，促進(jìn)電力電子技術(shù)向前發(fā)展。自1957年第一個晶閘管問世以來，經(jīng)過40多年的開發(fā)和研究，已推出可關(guān)斷晶閘管(GTO)，絕緣柵雙極晶體管(IGBT)等40多種電力半導(dǎo)體器件，目前正沿著高頻化、大功率化、智能化和模塊化的方向發(fā)展，本文將簡要介紹模塊化發(fā)展趨勢。

    所謂模塊，最初定義是把兩個或兩個以上的電力半導(dǎo)體芯片按一定電路聯(lián)成，用RTV、彈性硅凝膠、環(huán)氧樹脂等保護(hù)材料，密封在一個絕緣的外殼內(nèi)，并與導(dǎo)熱底板絕緣而成。自上世紀(jì)70年代SemikronNurmbeg把模塊原理(當(dāng)時僅限于晶閘管和整流二極管)引入電力電子技術(shù)領(lǐng)域以來，因此模塊化就受到世界各國電力半導(dǎo)體公司的重視，開發(fā)和生產(chǎn)出各種內(nèi)部電聯(lián)接形式的電力半導(dǎo)體模塊，如晶閘管、整流二極管、雙向晶閘管、逆導(dǎo)晶閘管、光控晶閘管、可關(guān)斷晶閘管、電力晶體管(GTR)、MOS可控晶閘管(MCT)、電力MOSFET以及絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)等模塊，使模塊技術(shù)得到蓬勃發(fā)展，在器件中所占比例越來越大。

    據(jù)美國在上世紀(jì)90年代初統(tǒng)計，在過去十幾年內(nèi)，300A以下的分立晶閘管、整流二極管以及20A以上達(dá)林頓晶體管市場占有量已由90%降到20%，而上述器件的模塊卻由10%上升到80%，可見模塊發(fā)展之快。

    隨著MOS結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)的現(xiàn)代半導(dǎo)體器件研發(fā)的成功，亦即用電壓控制、驅(qū)動功率小、控制簡單的IGBT、電力MOSFET、MOS控制晶閘管(MCT)和MOC控制整流管(MCD)的出現(xiàn)，開發(fā)出把器件芯片與控制電路、驅(qū)動電路、過壓、過流、過熱和欠壓保護(hù)電路以及自診斷電路組合，并密封在同一絕緣外殼內(nèi)的智能化電力半導(dǎo)體模塊，即IPM。

    為了更進(jìn)一步提高系統(tǒng)的可靠性，適應(yīng)電力電子技術(shù)向高頻化、小型化、模塊化發(fā)展方向，有些制造商在IPM的基礎(chǔ)上，增加一些逆變器的功能，將逆變器電路(IC)的所有器件都以芯片形式封裝在一個模塊內(nèi)，成為用戶專用電力模塊(ASPM)，使之不再有傳統(tǒng)引線相連，而內(nèi)部連線采用超聲焊、熱壓焊或壓接方式相連，使寄生電感降到最小，有利于裝置高頻化。一臺7.5KW的電機(jī)變頻裝置，其中ASPM只有600×400×250(mm)那么大，而可喜的是，這種用戶專用電力模塊可按應(yīng)用電路的不同而進(jìn)行二次設(shè)計，有很大的應(yīng)用靈活性。但在技術(shù)上要把邏輯電平為幾伏、幾毫安的集成電路IC與幾百安、幾千伏的電力半導(dǎo)體器件集成在同一芯片上是非常困難的。雖然目前已有1.5KW以下的ASPM出售，但要做大功率的ASPM，還需要解決一系列的問題，因此迫使人們采用混合封裝形式來制造適用于各種場合的集成電力電子模塊(IPEM)，IPEM為新世紀(jì)電力電子技術(shù)的發(fā)展開了新途徑。