关于电力半导体模块相关要点的探讨

关于电力半导体模块相关要点的探讨

许奕民

深圳南山安森美半导体有限公司518000

摘要：自上世纪70年代Semikron公司把模块原理引入电力电子技术领域以来，由于模块外形尺寸和安装尺寸的标准化以及芯片间的连线已在模块内部联成，因而它与同容量的分立器件相比，具有体积小，重量轻，结构紧凑等优点，又因模块化是使电力电子装置的效率、重量、体积、可靠性、价格等技术经济指标更进一步改善和提高的重要措施，因此，电力半导体模块开始逐渐受到重视，下面本文就电力半导体模块的相关要点进行探讨。

关键词：电力；半导体模块；发展趋势

1.电力半导体模块概述

电力半导体模块是分立半导体器件的进一步发展，它是现代电力电子设备的主要元件，如下图1所示。由于它具有体积小，外壳与电极绝缘，可靠性高，安装方便等优点，因此它在国外得到广泛的应用，近十几年来在我国也迅速地得到推广应用，并且已有很多厂家引进了制造技术或自行开发。目前，电力半导体模块产品广泛用于建筑、通信、电力、电子、化工、机械等领域。

图1

2.电力半导体模块的结构特点

电力半导体模块是将多只半导体芯片按一定的电路结构封装在一起的器件。它具有体积小，外壳与电极绝缘的特点，因此，可以将多只模块放在同一块散热器上，缩小电力半导体整机的体积。通常，200A以上的分立式电力半导体器件采用平板式压接结构，为双面散热；200A以下的器件采用螺栓式焊接或压接结构，为单面散热。

电力半导体模块和分立式电力半导体器件一样，也具有焊接和压接结构两种形式，如图1所示，它与分立式半导体器件所不同的是它的电极与外壳绝缘，并且压接式模块也是采用单面散热。

式中：Rja为模块芯片与环境之间的热阻；Rjc为模块的结壳热阻；Rca为模块外壳与环境之间的热阻；Rcs为模块外壳与散热器之间的接触热阻；Rsa为散热器的热阻；Tj为模块芯片的温度；Ta为模块的使用环境温度；P为器件的通态耗散功率；VTM为器件的通态峰值压降；IAV为额定通态平均电流；VT0为器件的门槛电压。

由于模块采用绝缘的陶瓷片和单面散热结构，增加了热阻，导致在同等芯片尺寸和同等散热条件下，模块的电流容量降低了，因此，对模块的结构设计有特殊的要求。

3.电力半导体模块的模块化发展方向

3.1电力电子半导体模块化

模块化，按最初的定义是把两个或两个以上的电力半导体芯片按一定的电路结构相联结，用rtv、弹性硅凝胶、环氧树脂等保护材料，密封在一个绝缘的外壳内，并且与导热底板相绝缘而成的。自从模块原理引入电力电子技术领域以来，已开发和生产出多种内部电路相联接形式的电力半导体模块，诸如双向晶闸管、电力mosfet以及绝缘栅双极型晶闸管（igbt）等模块，使得模块技术得以更快的发展。伴随着mos结构为基础的现代半导体器件研发成功，人们把器件芯片与控制电路、驱动电路、过压、过流、过热和欠压保护电路以及自诊断电路组合起来，密封装在同一绝缘外壳内称之为智能化电力半导体模块，即ipm。

3.2智能晶闸管模块

晶闸管智能模块itpm，是把晶闸管主电路和移相触发系统以及过电流、过电压保护、传感器等共同封装在一个塑料外壳内制成的，使有关电路成为了一个整体。该晶闸管是电流控制型电力半导体器件，需要大的脉冲触发功率才能驱动晶闸管，该模块做起来具有一定难度。

3.3igbt智能模块

80年代，绝缘栅双极晶体管igbt器件研发成功。由于igbt器件具有电压型驱动、驱动功率小、开关速度高、饱和压降低以及可耐高电压、大电流等一系列应用上的优点，并可用ic来实现驱动和控制，进而发展到集成igbta芯片、快速二极管芯片、控制和驱动电路、过压、过流、过热和欠压保护电路，箱位电路以及自诊断电路等封装在同一绝缘外壳内，具有智能化的igbt模块（ipm）。它为电力电子逆变器的高频化、小型化、高可靠性和高性能创造了器件基础。

3.4通信电源模块

现今电力电子技术在电源模块中发展的趋势是低电压、大电流。在次级整流电路中选用同步整流技术成为一种高效、低损耗的方法。由于功率moseft的导通电阻很低，能提高电源效率，因而在采用隔离buck电路的dc/dc变换器中已开始应用。同步整流技术是通过控制功率moseft的驱动电路，实现整流功能的技术。一般驱动频率固定，大约可达200khz以上，门限驱动可以采用交叉合（crosscoupled）或外加驱动信号配合死区时间控制实现。同步整流技术不仅提高了电源效率，而且给通信电源模块带来了新的进步，使得同步整流成为一种主流电源技术，应用于广泛的工业生产领域。

结束语

综上所述，本文对电力半导体模块的结构特点及其未来的发展趋势进行了探讨，而在今后电力半导体模块的发展过程中，为了适应计算机、通讯、空间技术以及各种大容量的工业电力变流装置和电动机驱动要求，相关研究人员应重视对电力半导体模块的研究，进而进一步提高系统的可靠性，以适应今后电力电子技术高频化、小型化的发展方向。

参考文献

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[2]沈征，何东，帅智康，等.碳化硅电力半导体器件在现代电力系统中的应用前景[J].南方电网技术.2016.

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