實(shí)際上,在電力電子集成技術(shù)的發(fā)展進(jìn)程中,已經(jīng)經(jīng)歷了功率半導(dǎo)體器件的模塊化、功率與控制電路的集成化、無源元件的集成(包括磁集成 技術(shù))等發(fā)展階段。
1)電力電子器件模塊
電力電子電路常常由多個電力電子器件組成,如一個雙向開關(guān)至少需要兩個三端器件和兩個二極管組成;考慮到串/并聯(lián)、單相、三相半橋或 全橋開關(guān)電路要用幾個,甚至幾十個開關(guān)器件和一些輔助器件(如快速二極管)組成。電力電子轉(zhuǎn)換器的功率電子器件之間的互連線多、寄生電 感大。為了使其結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、加工方便,更為了縮短開關(guān)器件之間的互連導(dǎo)線,減小電感,電力電子器件必須實(shí)現(xiàn)模塊化、集成化。將 若干個功率開關(guān)器件和快速二極管組合成標(biāo)準(zhǔn)的電力電子器件模塊(Power Modu1e),是集成電力電子技術(shù)發(fā)展進(jìn)程中最原始和最簡單的集成化 、模塊化。逆阻(Reverse B1ocking,RB)IGBT的出現(xiàn),使雙向IGBT開關(guān)省去了兩個二極管,有利于組成矩陣轉(zhuǎn)換器模塊。
但是,電力電子器件模塊僅僅是若干電力電子器件的集成,還沒有與驅(qū)動、控制、保護(hù)、檢測、通信等功能集成,有待于進(jìn)一步發(fā)展。
2)智能功率模塊
20世紀(jì)80年代開發(fā)了智能電力電子模塊(Inte11igent Power Modu1e,IPM)將電力電子器件與驅(qū)動、智能控制、保護(hù)、邏輯電路等集成封裝, IPM又稱為智能電力電子集成電路(Smart Power IC)。
近幾年來的發(fā)展方向是將小功率系統(tǒng)集成在一個芯片上(Systemn Chip),可以使電力電子產(chǎn)品更為緊湊,體積更小,也減小了引線的長度, 從而減小了寄生參數(shù)。在此基礎(chǔ)上,可以實(shí)現(xiàn)一體化(A11 in ONe),將所有元器件連同控制保護(hù)集成在一個模塊中。有報(bào)道稱,美國有研究人員將小功率異步電動機(jī)的運(yùn)動控制系統(tǒng)(包括逆變器、微處理器、控制保護(hù)電路)集成在電動機(jī)內(nèi),形成傳動控制系統(tǒng)與電動機(jī)的 一體化。
3)集成電力電子系統(tǒng)
20世紀(jì)90年代,隨著大規(guī)模分布電源系統(tǒng)的發(fā)展,IPM的設(shè)計(jì)觀念被推廣到更大容量、更高電壓的集成電力電子電路,并提高了集成度,稱為 集成電力電子模塊(IntegratedPower E1ectronics Modu1e,IPEM)。將電力電子器件與電路、控制、以及檢測、執(zhí)行等元器件集成封裝,得到 標(biāo)準(zhǔn)的、可制造的IPEM模塊、既可用于標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì),又可用于專用特殊設(shè)計(jì)。優(yōu)點(diǎn)是可以快速高效地為用戶提供產(chǎn)品,顯著降低了成本,提高了 可靠性。
應(yīng)用了嵌人式電力電子半導(dǎo)體功率器件的多層集成封裝技術(shù),可以把包括散熱板、基板、絕緣傳熱材料、功率母線、電力半導(dǎo)體功率器件、 銅層、陶瓷、集成無源元件、金屬層、表面貼裝芯片(驅(qū)動、檢測及保護(hù)元件)等封裝在一起。
IPEM模塊的設(shè)計(jì),既要考慮到電路的連接,也要考慮到熱流通路和散熱。過去功率半導(dǎo)體器件中芯片互連的傳統(tǒng)方法是鋁絲鍵合法,性能和 可靠性均比較差。電路靠導(dǎo)線連接,增大了寄生電感,F(xiàn)在IPEM模塊中用噴涂金屬層、表面貼裝金屬層等平面金屬化技術(shù)連通電路,可以使寄 生參數(shù)減到最小。