三相超快恢復(fù)二極管整流橋開關(guān)模塊

0 引言
    模塊化結(jié)構(gòu)提高了產(chǎn)品的密集性、安全性和可靠性，同時(shí)也可降低裝置的生產(chǎn)成本，縮短新產(chǎn)品進(jìn)入市場(chǎng)的周期，提高企業(yè)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。由于電路的聯(lián)線已在模塊內(nèi)部完成，因此，縮短了元器件之間的連線，可實(shí)現(xiàn)優(yōu)化布線和對(duì)稱性結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，使裝置線路的寄生電感和電容參數(shù)大大降低，有利于實(shí)現(xiàn)裝置的高頻化。此外，模塊化結(jié)構(gòu)與同容量分立器件結(jié)構(gòu)相比，還具有體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊、外接線簡(jiǎn)單、便于維護(hù)和安裝等優(yōu)點(diǎn)，因而大大縮小了裝置的何種，降低裝置的重量和成本，且模塊的主電極端子、控制端子和輔助端子與銅底板之間具有2．5kV以上有效值的絕緣耐壓，使之能與裝置內(nèi)各種模塊共同安裝在一個(gè)接地的散熱器上，有利于裝置體積的進(jìn)一步縮小，簡(jiǎn)化裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
    常州瑞華電力電子器件有限公司根據(jù)市場(chǎng)需求，充分利用公司近二十年來專業(yè)生產(chǎn)各類電力半導(dǎo)體模塊的工藝制造技術(shù)，設(shè)計(jì)能力，工藝和測(cè)試設(shè)備以及生產(chǎn)制造經(jīng)驗(yàn)，于2006年開發(fā)出了能滿足VVVF變頻器、高頻逆變焊機(jī)、大功率開關(guān)電源、不停電電源、高頻感應(yīng)加熱電源和伺服電機(jī)傳動(dòng)放大器所需的“三相整流二極管整流橋開關(guān)模塊”(其型號(hào)為MDST)的基礎(chǔ)上，近期又開發(fā)出了“三相超快恢復(fù)分公司極管整流橋開關(guān)模塊”(其型號(hào)為MFST)，由于這種模塊與采用3～5普通整流二極管相比具有反向恢復(fù)時(shí)間(trr)短，反向恢復(fù)峰值電流(IRM)小和反向恢復(fù)電荷(Qrr)低的FRED，因而使變頻的噪音大大降低，從而使變頻器的EMI濾波電路內(nèi)的電感和電容尺寸減小，價(jià)格下降，使變頻器更易符合國內(nèi)外抗電磁干擾(EMI)標(biāo)準(zhǔn)。

1 模塊的結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)
    FRED整流橋開關(guān)模塊是由六個(gè)超快恢復(fù)二極管芯片和一個(gè)大功率高壓晶閘管芯片按一定電路連成后共同封裝在一個(gè)PPS(加有40％玻璃纖維)外殼內(nèi)制成，模塊內(nèi)部的電聯(lián)接方式如圖1所示。圖中VD1～VD6為六個(gè)FRED芯片，相互聯(lián)成三相整流橋、晶閘管T串接在電橋的正輸出端上。圖2示出了模塊外形結(jié)構(gòu)示意圖，現(xiàn)將圖中的主要結(jié)構(gòu)件的功能分述如下：

    1)銅基導(dǎo)熱底板：其功能為陶瓷覆銅板(DBC基板)提供聯(lián)結(jié)支撐和導(dǎo)熱通道，并作為整個(gè)模塊的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。因此，它必須具有高導(dǎo)熱性和易焊性。由于它要與DBC基板進(jìn)行高溫焊接，又因它們之間熱線性膨脹系數(shù)(銅為16．7×10-6／℃，DBC約不5．6×10-6／℃)相差較大，為此，除需采用摻磷、鎂的銅銀合金外，并在焊接前對(duì)銅底板要進(jìn)行一定弧度的預(yù)彎，這種存在s一定弧度的焊成品，能在模塊裝置到散熱器上時(shí)，使它們之間有充分的接觸，從而降低模塊的接觸熱阻，保證模塊的出力。
    2)DBC基板：它是在高溫下將氧化鋁(Al2O3)或氮化鋁(AlN)基片與銅箔直接雙面鍵合而成，它具有優(yōu)良的導(dǎo)熱性、絕緣性和易焊性，并有與硅材料較接近的熱線性膨脹系數(shù)(硅為4．2×10-6／℃，DBC為5．6×10-6／℃)，因而可以與硅芯片直接焊接，從而簡(jiǎn)化模塊焊接工藝和降低熱阻。同時(shí)，DBC基板可按功率電路單元要求刻蝕出各式各樣的圖形，以用作主電路端子和控制端子的焊接支架，并將銅底板和電力半導(dǎo)體芯片相互電氣絕緣，使模塊具有有效值為2．5kV以上的絕緣耐壓。
    3)電力半導(dǎo)體芯片：超快恢復(fù)二極管(FRED)和晶閘管(SCR)芯片的PN結(jié)是玻璃鈍化保護(hù)，并在模塊制作過程中再涂有RTV硅橡膠，并灌封有彈性硅凝膠和環(huán)氧樹脂，這種多層保護(hù)使電力半導(dǎo)體器件芯片的性能穩(wěn)定可靠。半導(dǎo)體芯片直接焊在DBC基板上，而芯片正面都焊有經(jīng)表面處理的鉬片或直接用鋁絲鍵合作為主電極的引出線，而部分連線是通過DBC板的刻蝕圖形來實(shí)現(xiàn)的。根據(jù)三相整流橋電路共陽和共陰的連接特點(diǎn)，F(xiàn)RED芯片采用三片是正燒(即芯片正面是陰極、反面是陽極)和三片是反燒(即芯片正面是陽極、反面是陰極)，并利用DBC基板的刻蝕圖形，使焊接簡(jiǎn)化。同時(shí)，所有主電極的引出端子都焊在DBC基板上，這樣使連線減少，模塊可靠性提高。

    4)外殼：殼體采用抗壓、抗拉和絕緣強(qiáng)度高以及熱變溫度高的，并加有40％玻璃纖維的聚苯硫醚(PPS)注塑型材料組成，它能很好地解決與銅底板、主電極之間的熱脹冷縮的匹配問題，通過環(huán)氧樹脂的澆注固化工藝或環(huán)氧板的間隔，實(shí)現(xiàn)上下殼體的結(jié)構(gòu)連接，以達(dá)到較高的防護(hù)強(qiáng)度和氣閉密封，并為主電極引出提供支撐。

3 主要技術(shù)參數(shù)及應(yīng)用
    大功率高頻開關(guān)器件(IGBT、功率MOSFET、IGCT等)已廣泛用于VVVF、UPS、SMPS、逆變焊機(jī)、伺服電機(jī)傳動(dòng)放大器等具有直流環(huán)的逆變裝置內(nèi)。圖3和4分別示出了VVVF變頻器和高頻逆變焊機(jī)的電原理圖，

    目前，圖中的VD1～VD6均采用普通整流二極管，R為充電限流電阻，K為接觸器，其作用是對(duì)充電限流電阻進(jìn)行短接。由于高的開關(guān)頻率，以及VD1～VD6的反向恢復(fù)峰值電流高和反向恢復(fù)時(shí)間較長(zhǎng)，因而產(chǎn)生諧波，并使電流、電壓的波形嚴(yán)重畸變，噪聲很高，用超快恢復(fù)二極管(FRED)替代普通整流二極管作為逆變器的輸入整流器，可使變頻器的噪聲降低到15dB，這主要是由于FRED的關(guān)斷特性(低的反向恢復(fù)峰值電流和短的反向恢復(fù)時(shí)間)所決定。圖5給出了FRED導(dǎo)通和關(guān)斷期間的電流波形圖。

    FRED的其主要反向關(guān)斷特性參數(shù)為：反向恢復(fù)時(shí)trr=ta+tb(ta一少數(shù)載流子在存儲(chǔ)時(shí)間，tb一少數(shù)載流子復(fù)合時(shí)間)；反向恢復(fù)峰值電流IRM；反向恢復(fù)電荷Qrr=l／2trr×IRM以及表示器件反向恢復(fù)曲線軟度的軟度因子S=tb／ta。而FRED的正向?qū)ㄖ饕獏?shù)有：正向平均電流IF(AV)；正向峰值電壓UFM；正向均方根電流IF(RMS)以及正向(不重復(fù))浪涌電流IFSM。FRED的反向陰斷特性參數(shù)為：反向重復(fù)峰值電壓URRM和反向重復(fù)峰值電流IRRM。必須指出：反向恢復(fù)時(shí)間trr隨著結(jié)溫Tj的升高，所加反向電壓URRM的增高以及流過的正向電流IF(AV)的增大而增長(zhǎng)，而主要用來計(jì)算FRED的功耗和RC保護(hù)電路的反向恢復(fù)峰值電流IRM和反向恢復(fù)電荷Qrr亦隨結(jié)溫Tj的升高而增大。因此，在選用由FRED組成的“三相FRED整流橋開關(guān)模塊”時(shí)，必須充分考慮這些參數(shù)的測(cè)試條件，以便作必要的調(diào)整。這里值得提出的是：目前FRED的價(jià)格比普通整流二極管高，但由于使用FRED使變頻器的噪音大幅度降低(降低達(dá)15dB)，這將直接影響到變頻器內(nèi)EMI濾波電路的電容器和電感器的設(shè)計(jì)，使它們的尺寸大大縮小和價(jià)格大幅度下降，并使變頻器更能符合EMI標(biāo)準(zhǔn)的要求。

    此外，在變頻器中，對(duì)充電限流電阻進(jìn)行短接的開關(guān)，目前一般都采用機(jī)械接觸器，但由于環(huán)境的影響，特別是在濕度大或帶粉塵的環(huán)境下，往往會(huì)使觸頭損壞，另外接觸器接通和斷開時(shí)產(chǎn)生電弧，致使接觸器壽命縮短而損壞，從而嚴(yán)重影響變頻器的穩(wěn)定可靠工作。為了解決上述存在的問題，常州瑞華電力電子器件有限公司采用FRED替代普通整流二極管，采用晶閘管替代機(jī)械接觸器，制成如圖1所示的“三相FRED整流橋開關(guān)模塊”，這種模塊用于變頻器后，能使變頻器性能大大提高、體積縮小、重量減輕、工作穩(wěn)定可靠。
    本公司生產(chǎn)的“三相FRED整流橋開關(guān)模塊”(型號(hào)為MFST)的主要參數(shù)見表1。

4 結(jié)束語
    2006年常州瑞華電力電子器件有限公司研發(fā)成功的“三相整流二極管整流橋開關(guān)模塊”(型號(hào)為MDST)是由六個(gè)普通整流二極管和一個(gè)晶閘管組成，其內(nèi)部電連接原理圖如圖1所示，它已廣泛用于VVVT、SMPS、UPS、逆變焊機(jī)以及伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)放大器等具有直流環(huán)節(jié)的變頻裝置，并已取得很大成效。用超快恢復(fù)二極管(FRED)替代普通整流管所構(gòu)成的“三相FRED整流橋開關(guān)模塊”(型號(hào)為MFST)亦可用于上述各種電壓型變頻器，但可大幅度降低變頻器噪音達(dá)15dB，這一效應(yīng)將直接影響到變頻器的EMI濾波電路內(nèi)電容器和電感器的設(shè)計(jì)，并使它們的尺寸大大縮小，從而降低裝置的成本和縮小裝置的體積，使變頻器的性能提高，工作穩(wěn)定可靠，使變頻器更能滿足國家EMI標(biāo)準(zhǔn)。而以晶閘管替代用以短路充電電阻的機(jī)械接觸器，使變頻器的工作壽命延長(zhǎng)，工作更穩(wěn)定更可靠。當(dāng)前，雖然FRED要比普通整流管更貴，而且模塊制作工藝亦將更復(fù)雜，但綜合考慮分析上述優(yōu)點(diǎn)，隨著FRED芯片價(jià)格的進(jìn)一步下降和模塊制造工藝的進(jìn)一步成熟和規(guī)?；a(chǎn)，這種“三相FRED整流橋開關(guān)模塊”將獲得飛快發(fā)展和廣泛的應(yīng)用。