電子器件的模塊化技術現狀和發(fā)展趨勢ppt課件

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電子器件的模塊化技術現狀和發(fā)展趨勢,,1,2,,,,1904,,,,,,,,,1930,1947,1957,1970,1980,1990,2000,t(年),,,3,模塊化技術現狀 1 功率模塊 2 單片集成式模塊 3 智能功率模塊(IPM),4,1 功率模塊 功率模塊主要是功率電子電力器件按一定的功能組合再灌封成一個模塊。 1）電力電子變換器 電力電子變換器常常需要多個功率器件組成，能將電力從交流轉換為直流 （整流器） 直流轉換為直流（斬波器），直流轉換為交流（逆變器），同頻率交流轉換為交流（交流控制器），變頻率交流 轉換為交流（周波變換器）。變換器被廣泛用于加熱和燈光控制，交流和直流電源，電化學過程，直流和交流電極驅動，靜態(tài)無功補償，有源諧波濾波等等。,5,6,7,2) 變頻器 變頻器主電路也有專用的功率器件標準模塊，可以靈活地組裝成各種單相、三相半橋或全橋逆變器 下圖為IGBT模塊的幾種組合方式 ：基本單元和二單元 除了基本單元和二單元外，典型組合方式還有六單元模塊和七單元IGBT模塊。六單元IGBT模塊由6個IGBT和6個FD組成，有13個接線端，形成一臺三相變頻器。同樣可以幾個模塊并聯(lián)，以便用于更大電流應用。七單元IGBT模塊，由7個IGBT和7個FD組成，可構成變頻器和制動電路。還可以內置其他器件，如橋式整流電路的二極管、以及檢測溫度用的熱敏電阻等。,8,德州儀器(TI)最近推出了一款同步MOSFET半橋功率模塊。這一全新功率模塊通過高級封裝主要特性與優(yōu)勢包括： 1）可在25A電流下實現超過90%高效率 2) 通過高級封裝技術將2個非對稱NexFET功率MOSFET進行了完美整合，高低側MOSFET的導通電阻僅為5毫歐和2.1毫歐,效率提高2%，功率損耗低20%; 3) 能夠以高達 1.5 MHz的開關頻率生成高達40A的電流，從而可顯著降低解決方案 尺寸與成本。 4) 最高輸入耐壓為25V，非常適合12V輸入的電源中間總線。,日本半導體制造商推出的“全SiC”功率模塊（額定1200V/100A） 1） 內置功率半導體元件全部采用SiC 構成。 2）與普通的Si材質的IGBT模塊相比，開關損耗降低85％ 3）與傳統(tǒng)的200-400A級別的Si-IGBT 模塊相替換時，體積減小約50％ 4）發(fā)熱少，可減小外置的冷卻裝置體積，非常有助于設備整體的小型化。,9,浙江省嘉興市 嘉興斯 達攜最新IGBT產品亮 相2012上海慕尼黑電子 展產品用于功率范圍從 0.5kw至1mw以上的不 同領域，包括：變頻器 ﹑電焊機﹑感應加熱﹑ 激光﹑太陽能電裝置、 高壓直流輸變 電裝置、家用電器、機 車牽引、ups、醫(yī)療設 備等等。,,IGBT3晶片具有如下優(yōu)點: (1) 最大結溫tjmax=150℃; (2) 可靠性高; (3) 飽和壓降低(vcesat2v); (4) 效率高，與標準的IGBT相比有20%的提高; (5) 可以省略附加保護電路 。(6)VCES=600V Ic nom=600A Ic RM=1200A,10,11,IGBT發(fā)展到今天，已經開發(fā)出第六代技術的產品，新的模塊發(fā)展方向是低噪聲輻射，高新能，緊湊型，低熱組的封裝技術跟第六代IGBT模塊結合起來使其功能更加完美。 日本富士公司開發(fā)的Trench FS IGBT的新型模塊，矩陣變換器專用的逆阻型模塊。 德國EUPEC公司開發(fā)了中等功率傳動用IGBT模塊，模塊的基板上內置電流取樣電阻，可測量35kW等級逆變器的電流。 德國Semikron電子公司開發(fā)的MiniSKiip型CIB（整流、逆變、制動斬波）模塊，并推向市場。 2009年Semikron又推出新一代MiniSKiip -Ⅱ型CIB模塊，使用當今前沿的芯片封裝，改善熱阻、減小尺寸，為0.37～30 kW變頻器提供低成本、緊湊型1200V及600V功率模塊。模塊內還集成一個溫度傳感器，以檢測模塊內溫度。,12,2 單片集成式模塊 隨著半導體集成電路技術的進步和發(fā)展，將功率器件、驅動、控制、保護等電路，集成在一個硅片上，形成所謂單片集成 (System on chip) 模塊。 美國功率集成 (Power Integration) 公司開發(fā)的單片系列開關電源芯片：DPA-Switch、PKS-Switch、LNK-Switch、TNY-Switch、TOP-Switch 等等，這些都是一種高頻開關電源專用的模塊。 第五代產品TOPSwitch-HX，具有軟啟動、線性限壓檢測、遠程通/斷控制、在線熱關閉選通，并可調至零負載和由用戶設置精確的限流值等功能。TOPSwitch-HX有33種型號，如TOP254、TOP262等，這種模塊將功率MOS管和PWM電路集成在同一芯片上?？闪硗?配接橋式整流電路、電感、電容、二極管及變壓器，用以組裝成130 kHz、250W以下 的 Buck, Boost, Forward, Flyback等DC-DC或AC-DC開關變換器。其特點是外圍電路簡單、成本低廉。,13,下圖給出TOP242-250的功能方塊圖 單片集成模塊簡單，應用方便，但由于傳熱、隔離等問題還沒有有效解決，而且用單片集成技術將高電壓、大電流功率器件和控制電路集成在一起的難度較大，目前這種集成方法只適用于小功率電力電子電路中。,14,15,3 智能功率模塊IPM 智能功率模塊是一種先進的功率開關器件，具有大功率晶體管高電流密度、低飽和電壓和耐高壓的優(yōu)點,以及場效應晶體管高輸入阻抗、高開關頻率和低驅動功率的優(yōu)點。而且IPM內部集成了邏輯、控制、檢測和保護電路，使用起來方便,不僅減小了系統(tǒng)的體積以及開發(fā)時間，也大大增強了系統(tǒng)的可靠性。在電力電子領域得到了越來越廣泛的應用。 將具有驅動、控制、自保護、自診斷功能的IC與電力電子器件集成，封裝在一個絕緣外殼中，形成相對獨立、有一定功能的模塊。功率半導體器件和IC安裝在同一基片上，用引線鍵合互連，并應用了表面貼裝技術。 IPM由高速、低功率的IGBT芯片和優(yōu)選的門級驅動及保護電路構成，IPM根據內部功率電路配置的不同可分為四類:H型(內部封裝一個IGBT)、D型(內部封裝兩個IGBT)、C型(內部封裝六個IGBT)和R型(內部封裝七個IGBT)。小功率的IPM使用多層環(huán)氧絕緣系統(tǒng)，中大功率的IPM使用陶瓷絕緣。,16,針對現有柵極驅動芯片 M57962L體積大、環(huán)境適應性差的問題, 經過深入調研, 選用 1ED020I12 -FA 柵極驅動芯片代替 M57962L。設計基于該芯片的新型功率驅動電路, 并對其柵極驅動性能、過流保護、故障恢復、功率消耗等性能非常好。1ED020I12 -FA 的新型驅動電路具有開關速度快、體積小、功耗低、溫度范圍寬的優(yōu)點, 可以替代現有驅動電路。,綜合電力系統(tǒng)的控制，單列直插式智能功率模塊，實現成本效率,是專為家電和低功率工業(yè)應用 特點：更高的可靠性，故障信號分析，過流保護，溫度傳感器，被動元件，隔離散熱器，SOI門驅動器優(yōu)良的電氣性能,17,帶有分開的電源裝置和 控制單元，SINAMICS S120 變頻調速柜驅動 系統(tǒng)可完美地滿足大量 不同驅動任務的要求。,1）轉速控制、轉矩控制、定位功能 2)智能啟動功能，用于電源中斷后的獨立重新啟動 3)驅動器相關 I/O 4)集成安全功能 5)調節(jié)的饋電/再生反饋功能，,18,20世紀80年代即已開發(fā)，日本東芝、富士電機、Eupec、 Semikron、 Powerex等公司都生產IPM。日本三菱公司的模塊代表當今模塊技術的發(fā)展水平。該公司20世紀80年代末就致力于研究開發(fā)代智能保護功能的功率模塊，目前已生產出用于110KW變頻器的IPM模塊，居世界領先水平。 其主要問題是：互連線不可靠、寄生元件(電阻、電感)太多、一維散熱，在kW級小功率電力電子系統(tǒng)中應用。進一步的發(fā)展方向是多芯片模塊封裝以及集成電力電子封裝技術。,19,模塊化的發(fā)展趨勢,第一，電子器件的模塊化的發(fā)展是以新型電子器件、新型材料，新技術等的發(fā)展為依托。 第二，新型電子元器件模塊化向著高頻化、微型化、薄型化、低功耗、響應速率快、高分辨率、高精度、高功率、多功能、復合化、模塊化和智能化等的發(fā)展趨勢。同時，向著安全性和綠色化發(fā)展。 第三，制作工藝精密化、流程自動化，生產環(huán)境也要求越來越高，投資力度越來越大。還要加上產品的一致性、穩(wěn)定性、精度和成本因素，才能確立企業(yè)在國際上的競爭實力、市場定位及其發(fā)展前景。 第四，產品更新快，要求開發(fā)快、形成生產能力快。 眾所周知，目前電力電子器件的應用已深入到工業(yè)生產和社會生活的各個方面，實際的需要必將極大地推動器件的不斷創(chuàng)新。在新的世紀里，電力電子器件的不斷發(fā)展必將會為新一輪電力電子技術的發(fā)展帶來新的機遇與挑戰(zhàn)，也會為人類在新世紀的各行各業(yè)的發(fā)展作出新的貢獻。,20,謝謝?。?！,21,