电子器件的模块化技术现状和发展趋势ppt课件

电子器件的模块化技术现状和发展趋势,1,2,1904,1930,1947,1957,1970,1980,1990,2000,t(年),3,模块化技术现状 1 功率模块 2 单片集成式模块 3 智能功率模块(IPM),4,1 功率模块 功率模块主要是功率电子电力器件按一定的功能组合再灌封成一个模块。 1）电力电子变换器 电力电子变换器常常需要多个功率器件组成，能将电力从交流转换为直流 （整流器） 直流转换为直流（斩波器），直流转换为交流（逆变器），同频率交流转换为交流（交流控制器），变频率交流 转换为交流（周波变换器）。变换器被广泛用于加热和灯光控制，交流和直流电源，电化学过程，直流和交流电极驱动，静态无功补偿，有源谐波滤波等等。,5,6,7,2) 变频器 变频器主电路也有专用的功率器件标准模块，可以灵活地组装成各种单相、三相半桥或全桥逆变器 下图为IGBT模块的几种组合方式 ：基本单元和二单元 除了基本单元和二单元外，典型组合方式还有六单元模块和七单元IGBT模块。六单元IGBT模块由6个IGBT和6个FD组成，有13个接线端，形成一台三相变频器。同样可以几个模块并联，以便用于更大电流应用。七单元IGBT模块，由7个IGBT和7个FD组成，可构成变频器和制动电路。还可以内置其他器件，如桥式整流电路的二极管、以及检测温度用的热敏电阻等。,8,德州仪器(TI)最近推出了一款同步MOSFET半桥功率模块。这一全新功率模块通过高级封装主要特性与优势包括： 1）可在25A电流下实现超过90%高效率 2) 通过高级封装技术将2个非对称NexFET功率MOSFET进行了完美整合，高低侧MOSFET的导通电阻仅为5毫欧和2.1毫欧,效率提高2%，功率损耗低20%; 3) 能够以高达 1.5 MHz的开关频率生成高达40A的电流，从而可显著降低解决方案 尺寸与成本。 4) 最高输入耐压为25V，非常适合12V输入的电源中间总线。,日本半导体制造商推出的“全SiC”功率模块（额定1200V/100A） 1） 内置功率半导体元件全部采用SiC 构成。 2）与普通的Si材质的IGBT模块相比，开关损耗降低85 3）与传统的200-400A级别的Si-IGBT 模块相替换时，体积减小约50 4）发热少，可减小外置的冷却装置体积，非常有助于设备整体的小型化。,9,浙江省嘉兴市 嘉兴斯 达携最新IGBT产品亮 相2012上海慕尼黑电子 展产品用于功率范围从 0.5kw至1mw以上的不 同领域，包括：变频器 电焊机感应加热 激光太阳能电装置、 高压直流输变 电装置、家用电器、机 车牵引、ups、医疗设 备等等。,IGBT3晶片具有如下优点: (1) 最大结温tjmax=150; (2) 可靠性高; (3) 饱和压降低(vcesat2v); (4) 效率高，与标准的IGBT相比有20%的提高; (5) 可以省略附加保护电路 。(6)VCES=600V Ic nom=600A Ic RM=1200A,10,11,IGBT发展到今天，已经开发出第六代技术的产品，新的模块发展方向是低噪声辐射，高新能，紧凑型，低热组的封装技术跟第六代IGBT模块结合起来使其功能更加完美。 日本富士公司开发的Trench FS IGBT的新型模块，矩阵变换器专用的逆阻型模块。 德国EUPEC公司开发了中等功率传动用IGBT模块，模块的基板上内置电流取样电阻，可测量35kW等级逆变器的电流。 德国Semikron电子公司开发的MiniSKiip型CIB（整流、逆变、制动斩波）模块，并推向市场。 2009年Semikron又推出新一代MiniSKiip -型CIB模块，使用当今前沿的芯片封装，改善热阻、减小尺寸，为0.3730 kW变频器提供低成本、紧凑型1200V及600V功率模块。模块内还集成一个温度传感器，以检测模块内温度。,12,2 单片集成式模块 随着半导体集成电路技术的进步和发展，将功率器件、驱动、控制、保护等电路，集成在一个硅片上，形成所谓单片集成 (System on chip) 模块。 美国功率集成 (Power Integration) 公司开发的单片系列开关电源芯片：DPA-Switch、PKS-Switch、LNK-Switch、TNY-Switch、TOP-Switch 等等，这些都是一种高频开关电源专用的模块。 第五代产品TOPSwitch-HX，具有软启动、线性限压检测、远程通/断控制、在线热关闭选通，并可调至零负载和由用户设置精确的限流值等功能。TOPSwitch-HX有33种型号，如TOP254、TOP262等，这种模块将功率MOS管和PWM电路集成在同一芯片上。可另外 配接桥式整流电路、电感、电容、二极管及变压器，用以组装成130 kHz、250W以下 的 Buck, Boost, Forward, Flyback等DC-DC或AC-DC开关变换器。其特点是外围电路简单、成本低廉。,13,下图给出TOP242-250的功能方块图 单片集成模块简单，应用方便，但由于传热、隔离等问题还没有有效解决，而且用单片集成技术将高电压、大电流功率器件和控制电路集成在一起的难度较大，目前这种集成方法只适用于小功率电力电子电路中。,14,15,3 智能功率模块IPM 智能功率模块是一种先进的功率开关器件，具有大功率晶体管高电流密度、低饱和电压和耐高压的优点,以及场效应晶体管高输入阻抗、高开关频率和低驱动功率的优点。而且IPM内部集成了逻辑、控制、检测和保护电路，使用起来方便,不仅减小了系统的体积以及开发时间，也大大增强了系统的可靠性。在电力电子领域得到了越来越广泛的应用。 将具有驱动、控制、自保护、自诊断功能的IC与电力电子器件集成，封装在一个绝缘外壳中，形成相对独立、有一定功能的模块。功率半导体器件和IC安装在同一基片上，用引线键合互连，并应用了表面贴装技术。 IPM由高速、低功率的IGBT芯片和优选的门级驱动及保护电路构成，IPM根据内部功率电路配置的不同可分为四类:H型(内部封装一个IGBT)、D型(内部封装两个IGBT)、C型(内部封装六个IGBT)和R型(内部封装七个IGBT)。小功率的IPM使用多层环氧绝缘系统，中大功率的IPM使用陶瓷绝缘。,16,针对现有栅极驱动芯片 M57962L体积大、环境适应性差的问题, 经过深入调研, 选用 1ED020I12 -FA 栅极驱动芯片代替 M57962L。设计基于该芯片的新型功率驱动电路, 并对其栅极驱动性能、过流保护、故障恢复、功率消耗等性能非常好。1ED020I12 -FA 的新型驱动电路具有开关速度快、体积小、功耗低、温度范围宽的优点, 可以替代现有驱动电路。,综合电力系统的控制，单列直插式智能功率模块，实现成本效率,是专为家电和低功率工业应用 特点：更高的可靠性，故障信号分析，过流保护，温度传感器，被动元件，隔离散热器，SOI门驱动器优良的电气性能,17,带有分开的电源装置和 控制单元，SINAMICS S120 变频调速柜驱动 系统可完美地满足大量 不同驱动任务的要求。,1）转速控制、转矩控制、定位功能 2)智能启动功能，用于电源中断后的独立重新启动 3)驱动器相关 I/O 4)集成安全功能 5)调节的馈电/再生反馈功能，,18,20世纪80年代即已开发，日本东芝、富士电机、Eupec、 Semikron、 Powerex等公司都生产IPM。日本三菱公司的模块代表当今模块技术的发展水平。该公司20世纪80年代末就致力于研究开发代智能保护功能的功率模块，目前已生产出用于110KW变频器的IPM模块，居世界领先水平。 其主要问题是：互连线不可靠、寄生元件(电阻、电感)太多、一维散热，在kW级小功率电力电子系统中应用。进一步的发展方向是多芯片模块封装以及集成电力电子封装技术。,19,模块化的发展趋势,第一，电子器件的模块化的发展是以新型电子器件、新型材料，新技术等的发展为依托。 第二，新型电子元器件模块化向着高频化、微型化、薄型化、低功耗、响应速率快、高分辨率、高精度、高功率、多功能、复合化、模块化和智能化等的发展趋势。同时，向着安全性和绿色化发展。 第三，制作工艺精密化、流程自动化，生产环境也要求越来越高，投资力度越来越大。还要加上产品的一致性、稳定性、精度和成本因素，才能确立企业在国际上的竞争实力、市场定位及其发展前景。 第四，产品更新快，要求开发快、形成生产能力快。 众所周知，目前电力电子器件的应用已深入到工业生产和社会生活的各个方面，实际的需要必将极大地推动器件的不断创新。在新的世纪里，电力电子器件的不断发展必将会为新一轮电力电子技术的发展带来新的机遇与挑战，也会为人类在新世纪的各行各业的发展作出新的贡献。,20,谢谢！,21,