电力电子集成技术的现状及发展方向(2)
总的来说,电力电子装置与系统的集成可以分为3个不同的层次和形式:
3.1单片集成
采用半导体集成电路的加工方法将电力电子电路中的功率器件、驱动、控制和保护电路制作在同一硅片上,体现了SOC单片系统的概念。这种集成方式的集成度最高,适合大批量、自动化制造,可以非常有效地降低成本,减小体积和重量,但面临高压、大电流的主电路元件和其它低压、小电流电路元件的制造工艺差别较大,还有高压隔离和传热问题。因此单片集成难度很大,目前仅在小功率范围有所应用,如TopSwitch等。随着新型半导体材料和加工工艺的进步,将来必然会向较大的功率等级发展。3.2混合集成
采用封装的技术手段,将分别包含功率器件、驱动、保护和控制电路的多个硅片封入同一模块中,形成具有部分或完整功能且相对独立的单元。这种集成方法可以较好地解决不同工艺的电路之间的组合和高电压隔离等问题,具有较高的集成度,也可以比较有效地减小体积和重量,但目前还存在分布参数、电磁兼容、传热等具有较高难度的技术问题,并且尚不能有效地降低成本达到较高的可靠性,因此目前仍以中等功率应用为主,并正在向大功率发展。混合集成的典型例子是IPM。在某种意义上,混合集成介于集成度与技术难度之间,是根据当前技术水平所采取的一种折衷方案,具有较强的现实意义,是目前电力电子集成技术的主流方式。
3.3系统集成(系统级的集成)
将已有的实体经过有机地组合及拼装,形成一个完整的系统,在电力电子技术领域,系统集成一般指将多个电路或装置有机地组合成具有完整功能的电力电子系统,如通信电源系统等。这种集成是功能集成,具有低的集成度和技术难度,容易实现,因此是目前工程技术领域普遍采用的集成方案,但因集成度低,与独立的装置和电路相比,都无法明显降低体积和重量,且构成仍以分立元器件为主,设计、制造都较复杂,不能明显体现集成优势。目前,系统集成技术多用于功率很大,结构和功能复杂的系统。
目前,国际电力电子学界谈论的集成概念一般指单片集成和混合集成,很少含系统集成这一层次。
4主要研究机构
目前国际电力电子集成领域内比较有影响的研究机构有:美国电力电子研究中心(CenterforPowerElectronicSystem-CPES)[1'2]、美国康奈尔大学电气工程学院[3]、美国阿肯色大学电力电子研究小组[1西班牙国家微电子研究中心^等。美国通用电气(GE)公司[7]、美国国际整流器公司(IR)、德国赛米控(Semikron)公司、瑞士ABB公司等一些有实力的企业也加入其中。
CPES目前在该领域的研究中处于核心地位,所研究的内容最为广泛,产出的文献和研究成果数量最多,在一定程度上领导着国际电力电子集成技术的主流研究方向。CPES提出的目标是通过高密度混合集成和多层互连,将电力电子系统中主电路、传感、驱动、保护、控制、通信接口等全部电路和元件都集成到一起,形成具有通用性的标准化电力电子集成模块(IntegratedPowerElectronicModuleIPEM)用以构成各种不同的应用系统。
国内学术界目前已对电力电子集成技术引起高度重视,并达成共识,认为应该在政府的推动下,尽快开展我国电力电子集成技术的研究。来自清华大学、浙江大学、西安交通大学的部分学者己着手从不同角度进行研究,但总的来说还处于起步阶段。
中国国家自然科学基金已经批准了"电力电子系统集成基础理论与若干关键技术的研究"的重点项目,由浙江大学、西安交通大学和西安电力电子技术研究所分别承担,于2003年1月起正式启动。国家自然科学基金项目的资助数额虽不大,但这一项目的立项具有深远的意义,标志着我国电力电子集成技术的研究正式启动。
5主要研究内容及现状
5.1电力电子集成模块的电路技术和磁技术
这部分研究的内容主要涉及适用于集成模块内的具有通用性标准化的主电路、控制电路、驱动电路、保护电路、电源电路及磁性元件技术。研究的目标是提高电路性能,降低损耗,以尽可能单一的电路方案适应尽可能广泛的应用。
主电路方面的研究有用于AC/DC或DC/AC变换的软开关电路、用于DC/DC变换的移相全桥型电路和半桥型谐振电路等,如图1、图2所示。驱动电路方面有可以降低开关噪声的有源驱动技术等。控制电路方面有基于DSP和EPLD的可重复编程数字控制电路等[31。通信接口方面有基于现场总线技术和光纤的接口技术等。磁技术方面主要是对集成磁件和电容、电感、变压器等混合集成进行研究。
5.3电力电子集成模块的封装技术
该技术借鉴了集成电路的加工方法和工艺过
目前,电力电子的集成主要采用混合集成方式,程,把多个不同工艺的裸片安装在一起,并进行了多
因此,封装技术就成为电力电子集成研究的关键。现在广泛使用的是铝丝键合技术优点是工艺简单,成本低;缺点是:①键合点面积小,传热差,芯片表面温度分布不均匀,局部易热集中[3];②寄生电感大,造成开关过电压;③各铝丝之间电流分布不均匀,局部电流集中;④电磁力造成铝丝震动,导致键合点脱落如图7所示。因铝丝键合存在诸多问题,所以现在的研究热点是多芯片模块技术层互连,形成具有完整功能的模块。MCM技术起源于集成电路的封装技术已用于射频、微波集成电路的制造,并取得了较好效果。然而,将该技术用于电力电子集成却遇到了许多障碍,如互连导线的电流承载能力不够,电路元件间绝缘和隔热困难,干扰严重,制造成本高,可靠性低等。来自不同研究机构的学者进行了大量尝试,试图解决这些问题,但尚未取得突破性进展。在提出的众多技术方案中,还没有一种在性能、成本和可靠性等各方面都能达到或接近IPEM的最终要求,研究还在探索中。除MCM技术外,压接方式也是研究的重点之一。
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