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超快恢復二極管整流橋開關模塊結構及應用

發布時間:2018-09-08 點擊次數:9514

模塊化結構提高了產品的密集性、安全性和可靠性, 同時也可降低裝置的生產成本, 縮短新產品進人市場的周期, 提高企業的市場競爭力。由于電路的聯線已在模塊內部完成, 因此, 縮短了元器件之間的連線, 可實現優化布線和對稱性結構的設計, 使裝置線路的寄生電感和電容參數大大降低,有利于實現裝置的高頻化。此外, 模塊化結構與同容量分立器件結構相比, 還具有體積小、重量輕、結構緊湊、外接線簡單、便于維護和安裝等優點,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2.5V以上有效值的絕緣耐壓, 使之能與裝置內各種模塊共同安裝在一個接地的散熱器上, 有利于裝置體積的進一步縮小, 簡化裝置的結構設計。
  三相超快恢復二極管整流橋開關模塊應用于VVVF變頻器、高頻逆變焊機、大功率開關電源、不停電電源、高頻感應加熱電源和伺服電機傳動放大器。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時間(trr)短, 反向恢復峰值電流(IRM)小和反向恢復電荷(Qrr)低的FRED, 因而使變頻的噪音大大降低, 從而使變頻器的EMI濾波電路內的電感和電容尺寸減小,價格下降, 使變頻器更易符合國內外抗電磁干擾(EMI)標準。
 
  1. 模塊的結構及特點
  FRED整流橋開關模塊是由六個超快恢復二極管芯片和一個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PPS(加有40%玻璃纖維)外殼內制成, 模塊內部的電聯接方式如圖1所示。圖中VD1~VD6為六個芯片, 相互聯成三相整流橋、晶閘管串接在電橋的正輸出端上。圖2示出了模塊外形結構示意圖, 現將圖中的主要結構件的功能分述如下:
  1)銅基導熱底板:其功能為陶瓷覆銅板(DBC基板)提供聯結支撐和導熱通道, 并作為整個模塊的結構基礎。因此, 它必須具有高導熱性和易焊性。由于它要與DBC基板進行高溫焊接, 又因它們之間熱線性膨脹系數(銅為16.7×10-6/℃, DCB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, 并在焊接前對銅底板要進行一定弧度的預彎, 這種存在一定弧度的焊成品, 能在模塊裝置到散熱器上時, 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。

圖1 模塊內部電連接原理圖
圖1 模塊內部電連接原理圖
圖2 模塊外形結構示意圖
圖2 模塊外形結構示意圖
 

  2)DCB基板:它是在高溫下將氧化鋁(A12O3)或氮化鋁(A1N)基片與銅箔直接雙面鍵合而成, 它具有優良的導熱性、絕緣性和易焊性, 并有與硅材料較接近的熱線性膨脹系數(硅為4.2×10-6/℃ , DCB為5.6×10-6/℃), 因而可以與硅芯片直接焊接, 從而簡化模塊焊接工藝和降低熱阻。同時, 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)電力半導體芯片超快恢復二極管(FRED)和晶閘管(SCR)芯片的PN結是玻璃鈍化保護, 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氧樹脂, 這種多層保護使電力半導體器件芯片的性能穩定可靠。半導體芯片直接焊在DBC基板上, 而芯片正面都焊有經表面處理的鑰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DCB板的刻蝕圖形來實現的。根據三相整流橋電路共陽和共陰的連接特點, FRED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DCB基板的刻蝕圖形, 使焊接簡化。同時, 所有主電極的引出端子都焊在DCB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、抗拉和絕緣強度高以及熱變溫度高的, 并加40%有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, 通過環氧樹脂的澆注固化工藝或環氧板的間隔, 實現上下殼體的結構連接, 以達到較高的防護強度和氣閉密封, 并為主電極引出提供支撐。
 
  2. 應用
  大功率高頻開關器件(IGBT、功率MOSFET、IGCT等)已廣泛用于VVVF、UPS、SMPS、逆變焊機、伺服電機傳動放大器等具有直流環的逆變裝置內。圖3和4分別示出了VVVF變頻器和高頻逆變焊機的電原理圖。

圖3 典型的VVVF變須器電原理圖 

圖3 典型的VVVF變須器電原理圖

  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, 其作用是對充電限流電阻進行短接。由于高的開關頻率, 以及VD1~VD6的反向恢復峰值電流高和反向恢復時間較長, 因而產生諧波, 并使電流、電壓的波形嚴重畸變, 噪聲很高, 用超快恢復二極管(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的關斷特性(低的反向恢復峰值電流和短的反向恢復時間)所決定。圖5給出了FRED導通和關斷期間的電流波形圖。

圖4 高須逆變壞機電原理圖 

圖4 高須逆變壞機電原理圖

  FRED的其主要反向關斷特性參數為:反向恢復時trr=ta+tb(ta-少數載流子在存儲時間, ta-少數載流子復合時間);反向恢復峰值電流IRM;反向恢復電荷Qrr=1/2trr×IRM以及表示器件反向恢復曲線軟度的軟度因子S=tb/ta。而FRED的正向導通主要參數有: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)浪涌電流IFSM。FRED的反向陰斷特性參數為:反向重復峰值電壓URRM和反向重復峰值電流IRRM。必須指出反向恢復時間trr隨著結溫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, 而主要用來計算FRED的功耗和RC保護電路的反向恢復峰值電流IRM和反向恢復電荷Qrr亦隨結溫Tj的升高而增大。因此, 在選用由FRED組成的“三相FRED整流橋開關模塊”時, 必須充分考慮這些參數的測試條件, 以便作必要的調整。這里值得提出的是目前的價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15dB), 這將直接影響到變頻器內EMI濾波電路的電容器和電感器的設計, 使它們的尺寸大大縮小和價格大幅度下降, 并使變頻器更能符合EMI標準的要求。

圖5  FRED導通和關斷期間的電流波形圖 

圖5  FRED導通和關斷期間的電流波形圖

  此外, 在變頻器中, 對充電限流電阻下進行短接的開關, 目前一般都采用機械接觸器, 但由于環境的影響, 特別是在濕度大或帶粉塵的環境下, 往往會使觸頭損壞, 另外接觸器接通和斷開時產生電弧, 致使接觸器壽命縮短而損壞, 從而嚴重影響變頻器的穩定可靠工作。為了解決上述存在的問題, 采用FRED替代普通整流二極管,采用晶閘管替代機械接觸器, 制成如圖所示的“三相整流橋開關模塊” , 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、工作穩定可靠。


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