电力半导体模块新趋势（一）

　　摘要：简要叙述了电力半导体模块的发展过程，介绍了晶闸管智能模块的结构和特性，描述了IGBT智能模块的现状和发展趋势，指出了我国大力发展IPEM的必要性。

　　关键词：电力半导体模块；智能晶闸管模块；IGBT模块；IGBT智能模块

　　引言

　　一种新型器件的诞生往往使整个装置系统面貌发生巨大改观，促进电力电子技术向前发展。自1957年第一个晶闸管问世以来，经过40多年的开发和研究，已推出可关断晶闸管（GTO），绝缘栅双极晶体管（IGBT）等40多种电力半导体器件，目前正沿着高频化、大功率化、智能化和模块化的方向发展，本文将简要介绍模块化发展趋势。

　　所谓模块，最初定义是把两个或两个以上的电力半导体芯片按一定电路联成，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，并与导热底板绝缘而成。自上世纪70年代Semikron Nurmbeg把模块原理（当时仅限于晶闸管和整流二极管）引入电力电子技术领域以来，因此模块化就受到世界各国电力半导体公司的重视，开发和生产出各种内部电联接形式的电力半导体模块，如晶闸管、整流二极管、双向晶闸管、逆导晶闸管、光控晶闸管、可关断晶闸管、电力晶体管（GTR）、MOS可控晶闸管（MCT）、电力MOSFET以及绝缘栅双极型晶体管（IGBT）等模块，使模块技术得到蓬勃发展，在器件中所占比例越来越大。

　　据美国在上世纪90年代初统计，在过去十几年内，300A以下的分立晶闸管、整流二极管以及20A以上达林顿晶体管市场占有量已由90%降到20%，而上述器件的模块却由10%上升到80%，可见模块发展之快。

　　随着MOS结构为基础的现代半导体器件研发的成功，亦即用电压控制、驱动功率小、控制简单的IGBT、电力MOSFET、MOS控制晶闸管（MCT）和MOC控制整流管（MCD）的出现，开发出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，并密封在同一绝缘外壳内的智能化电力半导体模块，即IPM.

　　为了更进一步提高系统的可靠性，适应电力电子技术向高频化、小型化、模块化发展方向，有些制造商在IPM的基础上，增加一些逆变器的功能，将逆变器电路（IC）的所有器件都以芯片形式封装在一个模块内，成为用户专用电力模块（ASPM），使之不再有传统引线相连，而内部连线采用超声焊、热压焊或压接方式相连，使寄生电感降到最小，有利于装置高频化。一台7.5KW的电机变频装置，其中ASPM只有600×400×250（mm）那么大，而可喜的是，这种用户专用电力模块可按应用电路的不同而进行二次设计，有很大的应用灵活性。但在技术上要把逻辑电平为几伏、几毫安的集成电路IC与几百安、几千伏的电力半导体器件集成在同一芯片上是非常困难的。虽然目前已有1.5KW以下的ASPM出售，但要做大功率的ASPM，还需要解决一系列的问题，因此迫使人们采用混合封装形式来制造适用于各种场合的集成电力电子模块（IPEM），IPEM为新世纪电力电子技术的发展开了新途径。

　　智能晶闸管模块

　　晶闸管和整流二极管模块主要指各种电联接的桥臂模块和单相整流桥模块，晶闸管模块经过近30年的开发和生产，目前制造这种系列模块的技术已相当成熟，生产成品率也相当高，使用亦很普遍和成熟，已成为电力调控的重要器件，因此这里不再介绍。

　　晶闸管智能模块就是ITPM（Intelligent thyristor power module）把晶闸管主电路与移相触发系统以及过电流、过电压保护传感器共同封闭在一个塑料外壳内制成。由于晶闸管是电流控制型电力半导体器件，所以需要较大的脉冲触发功率才能驱动晶闸管，又加其它一些辅助电路的元器件，如同步电流的同步变压器等体积庞大，很难使移相触发系统与晶闸管主电路以及传感器等封装在同一外壳内制成晶闸管智能模块。因此，世界上一直没有摆脱将晶闸管器件与门极触发系统分立制作的传统形式。

　　山东淄博临淄银河高技术开发有限公司，经多年的开发研究，解决了同步元器件微型化问题，使之适合集成应用之后，继而解决了提高信号幅度、抗干扰、高压隔离和同步信号输入等问题，并研制开发出高密度的功率脉冲变压器和多路高速大电流IC，以及两种适合集成模块专用IC.在采用了导热、绝缘性能良好的DCB板、钼铜板，具有良好电绝缘和保护性能和良好热传导作用的弹性硅凝胶等特殊材料后，开发出多种具有各种功能的晶闸管智能模块，如三相、单相集成移相调控晶闸管智能交流开关模块，带过零触发电路的三相、单相交流开关模块等。

　　图1为晶闸管智能三相桥模块的内部接线图（a）及其它外形照片（b），还有晶闸管智能电机控制模块，解决了一直未能实现的晶闸管主电路与移相触发系统以及保护取样传感器共同封装在一个塑料外壳内的难题。临淄银河公司研制出模块最大工作线电流为1600A（RMS），额定工作电压为380V和600V，已用于交流变频、交直流电气传动以及三相交流固态开关和恒压、恒流电源等领域。

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