電子器件的模塊化技術(shù)現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì).ppt

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電子器件的模塊化技術(shù)現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì),學(xué)號(hào)：110052174黎夏,,,,1904,,,,,,,,,1930,1947,1957,1970,1980,1990,2000,t(年),,,模塊化技術(shù)現(xiàn)狀1功率模塊2單片集成式模塊3智能功率模塊(IPM),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(gè)模塊。1）電力電子變換器電力電子變換器常常需要多個(gè)功率器件組成，能將電力從交流轉(zhuǎn)換為直流（整流器）直流轉(zhuǎn)換為直流（斬波器），直流轉(zhuǎn)換為交流（逆變器），同頻率交流轉(zhuǎn)換為交流（交流控制器），變頻率交流轉(zhuǎn)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(xué)過程，直流和交流電極驅(qū)動(dòng)，靜態(tài)無(wú)功補(bǔ)償，有源諧波濾波等等。,2)變頻器變頻器主電路也有專用的功率器件標(biāo)準(zhǔn)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(gè)IGBT和6個(gè)FD組成，有13個(gè)接線端，形成一臺(tái)三相變頻器。同樣可以幾個(gè)模塊并聯(lián)，以便用于更大電流應(yīng)用。七單元IGBT模塊，由7個(gè)IGBT和7個(gè)FD組成，可構(gòu)成變頻器和制動(dòng)電路。還可以內(nèi)置其他器件，如橋式整流電路的二極管、以及檢測(cè)溫度用的熱敏電阻等。,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(jí)封裝主要特性與優(yōu)勢(shì)包括：1）可在25A電流下實(shí)現(xiàn)超過90%高效率2)通過高級(jí)封裝技術(shù)將2個(gè)非對(duì)稱NexFET功率MOSFET進(jìn)行了完美整合，高低側(cè)MOSFET的導(dǎo)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(dá)1.5MHz的開關(guān)頻率生成高達(dá)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(dǎo)體制造商推出的“全SiC”功率模塊（額定1200V/100A）1）內(nèi)置功率半導(dǎo)體元件全部采用SiC構(gòu)成。2）與普通的Si材質(zhì)的IGBT模塊相比，開關(guān)損耗降低85％3）與傳統(tǒng)的200-400A級(jí)別的Si-IGBT模塊相替換時(shí)，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(shè)備整體的小型化。,浙江省嘉興市嘉興斯達(dá)攜最新IGBT產(chǎn)品亮相2012上海慕尼黑電子展產(chǎn)品用于功率范圍從0.5kw至1mw以上的不同領(lǐng)域，包括：變頻器﹑電焊機(jī)﹑感應(yīng)加熱﹑激光﹑太陽(yáng)能電裝置、高壓直流輸變電裝置、家用電器、機(jī)車牽引、ups、醫(yī)療設(shè)備等等。,,IGBT3晶片具有如下優(yōu)點(diǎn):(1)最大結(jié)溫tjmax=150℃;(2)可靠性高;(3)飽和壓降低(vcesat<2v);(4)效率高，與標(biāo)準(zhǔn)的IGBT相比有20%的提高;(5)可以省略附加保護(hù)電路。(6)VCES=600VIcnom=600AIcRM=1200A,IGBT發(fā)展到今天，已經(jīng)開發(fā)出第六代技術(shù)的產(chǎn)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(shù)跟第六代IGBT模塊結(jié)合起來(lái)使其功能更加完美。日本富士公司開發(fā)的TrenchFSIGBT的新型模塊，矩陣變換器專用的逆阻型模塊。德國(guó)EUPEC公司開發(fā)了中等功率傳動(dòng)用IGBT模塊，模塊的基板上內(nèi)置電流取樣電阻，可測(cè)量35kW等級(jí)逆變器的電流。德國(guó)Semikron電子公司開發(fā)的MiniSKiip型CIB（整流、逆變、制動(dòng)斬波）模塊，并推向市場(chǎng)。2009年Semikron又推出新一代MiniSKiip-Ⅱ型CIB模塊，使用當(dāng)今前沿的芯片封裝，改善熱阻、減小尺寸，為0.37～30kW變頻器提供低成本、緊湊型1200V及600V功率模塊。模塊內(nèi)還集成一個(gè)溫度傳感器，以檢測(cè)模塊內(nèi)溫度。,2單片集成式模塊隨著半導(dǎo)體集成電路技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展，將功率器件、驅(qū)動(dòng)、控制、保護(hù)等電路，集成在一個(gè)硅片上，形成所謂單片集成(Systemonchip)模塊。美國(guó)功率集成(PowerIntegration)公司開發(fā)的單片系列開關(guān)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(guān)電源專用的模塊。第五代產(chǎn)品TOPSwitch-HX，具有軟啟動(dòng)、線性限壓檢測(cè)、遠(yuǎn)程通/斷控制、在線熱關(guān)閉選通，并可調(diào)至零負(fù)載和由用戶設(shè)置精確的限流值等功能。TOPSwitch-HX有33種型號(hào)，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?？闪硗馀浣訕蚴秸麟娐贰㈦姼?、電容、二極管及變壓器，用以組裝成130kHz、250W以下的Buck,Boost,Forward,Flyback等DC-DC或AC-DC開關(guān)變換器。其特點(diǎn)是外圍電路簡(jiǎn)單、成本低廉。,下圖給出TOP242-250的功能方塊圖單片集成模塊簡(jiǎn)單，應(yīng)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(shù)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。,3智能功率模塊IPM智能功率模塊是一種先進(jìn)的功率開關(guān)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(diǎn),以及場(chǎng)效應(yīng)晶體管高輸入阻抗、高開關(guān)頻率和低驅(qū)動(dòng)功率的優(yōu)點(diǎn)。而且IPM內(nèi)部集成了邏輯、控制、檢測(cè)和保護(hù)電路，使用起來(lái)方便,不僅減小了系統(tǒng)的體積以及開發(fā)時(shí)間，也大大增強(qiáng)了系統(tǒng)的可靠性。在電力電子領(lǐng)域得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。將具有驅(qū)動(dòng)、控制、自保護(hù)、自診斷功能的IC與電力電子器件集成，封裝在一個(gè)絕緣外殼中，形成相對(duì)獨(dú)立、有一定功能的模塊。功率半導(dǎo)體器件和IC安裝在同一基片上，用引線鍵合互連，并應(yīng)用了表面貼裝技術(shù)。IPM由高速、低功率的IGBT芯片和優(yōu)選的門級(jí)驅(qū)動(dòng)及保護(hù)電路構(gòu)成，IPM根據(jù)內(nèi)部功率電路配置的不同可分為四類:H型(內(nèi)部封裝一個(gè)IGBT)、D型(內(nèi)部封裝兩個(gè)IGBT)、C型(內(nèi)部封裝六個(gè)IGBT)和R型(內(nèi)部封裝七個(gè)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。,針對(duì)現(xiàn)有柵極驅(qū)動(dòng)芯片M57962L體積大、環(huán)境適應(yīng)性差的問題,經(jīng)過深入調(diào)研,選用1ED020I12-FA柵極驅(qū)動(dòng)芯片代替M57962L。設(shè)計(jì)基于該芯片的新型功率驅(qū)動(dòng)電路,并對(duì)其柵極驅(qū)動(dòng)性能、過流保護(hù)、故障恢復(fù)、功率消耗等性能非常好。1ED020I12-FA的新型驅(qū)動(dòng)電路具有開關(guān)速度快、體積小、功耗低、溫度范圍寬的優(yōu)點(diǎn),可以替代現(xiàn)有驅(qū)動(dòng)電路。,綜合電力系統(tǒng)的控制，單列直插式智能功率模塊，實(shí)現(xiàn)成本效率,是專為家電和低功率工業(yè)應(yīng)用特點(diǎn)：更高的可靠性，故障信號(hào)分析，過流保護(hù)，溫度傳感器，被動(dòng)元件，隔離散熱器，SOI門驅(qū)動(dòng)器優(yōu)良的電氣性能,帶有分開的電源裝置和控制單元，SINAMICSS120變頻調(diào)速柜驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可完美地滿足大量不同驅(qū)動(dòng)任務(wù)的要求。,1）轉(zhuǎn)速控制、轉(zhuǎn)矩控制、定位功能2)智能啟動(dòng)功能，用于電源中斷后的獨(dú)立重新啟動(dòng)3)驅(qū)動(dòng)器相關(guān)I/O4)集成安全功能5)調(diào)節(jié)的饋電/再生反饋功能，,20世紀(jì)80年代即已開發(fā)，日本東芝、富士電機(jī)、Eupec、Semikron、Powerex等公司都生產(chǎn)IPM。日本三菱公司的模塊代表當(dāng)今模塊技術(shù)的發(fā)展水平。該公司20世紀(jì)80年代末就致力于研究開發(fā)代智能保護(hù)功能的功率模塊，目前已生產(chǎn)出用于110KW變頻器的IPM模塊，居世界領(lǐng)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(jí)小功率電力電子系統(tǒng)中應(yīng)用。進(jìn)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(shù)。,模塊化的發(fā)展趨勢(shì),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(shù)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(yīng)速率快、高分辨率、高精度、高功率、多功能、復(fù)合化、模塊化和智能化等的發(fā)展趨勢(shì)。同時(shí)，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(dòng)化，生產(chǎn)環(huán)境也要求越來(lái)越高，投資力度越來(lái)越大。還要加上產(chǎn)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(guó)際上的競(jìng)爭(zhēng)實(shí)力、市場(chǎng)定位及其發(fā)展前景。第四，產(chǎn)品更新快，要求開發(fā)快、形成生產(chǎn)能力快。眾所周知，目前電力電子器件的應(yīng)用已深入到工業(yè)生產(chǎn)和社會(huì)生活的各個(gè)方面，實(shí)際的需要必將極大地推動(dòng)器件的不斷創(chuàng)新。在新的世紀(jì)里，電力電子器件的不斷發(fā)展必將會(huì)為新一輪電力電子技術(shù)的發(fā)展帶來(lái)新的機(jī)遇與挑戰(zhàn)，也會(huì)為人類在新世紀(jì)的各行各業(yè)的發(fā)展作出新的貢獻(xiàn)。,謝謝?。?！,