超快恢复二极管整流桥开关模块结构及应用

  模块化结构提高了产品的密集性、安全性和可靠性, 同时也可降低装置的生产成本, 缩短新产品进人市场的周期, 提高企业的市场竞争力。由于电路的联线已在模块内部完成, 因此, 缩短了元器件之间的连线, 可实现优化布线和对称性结构的设计, 使装置线路的寄生电感和电容参数大大降低,有利于实现装置的高频化。此外, 模块化结构与同容量分立器件结构相比, 还具有体积小、重量轻、结构紧凑、外接线简单、便于维护和安装等优点,因而大大缩小了装置的何种, 降低装置的重量和成本, 且模块的主电极端子、控制端子和辅助端子与铜底板之间具有2.5V以上有效值的绝缘耐压, 使之能与装置内各种模块共同安装在一个接地的散热器上, 有利于装置体积的进一步缩小, 简化装置的结构设计。
  三相超快恢复二极管整流桥开关模块应用于VVVF变频器、高频逆变焊机、大功率开关电源、不停电电源、高频感应加热电源和伺服电机传动放大器。由于这种模块与采用3~5普通整流二极管相比具有反向恢复时间(trr)短, 反向恢复峰值电流(I_RM)小和反向恢复电荷(Q_rr)低的FRED, 因而使变频的噪音大大降低, 从而使变频器的EMI滤波电路内的电感和电容尺寸减小,价格下降, 使变频器更易符合国内外抗电磁干扰(EMI)标准。
 
  1. 模块的结构及特点
  FRED整流桥开关模块是由六个超快恢复二极管芯片和一个大功率高压晶闸管芯片按一定电路连成后共同封装在一个PPS(加有40%玻璃纤维)外壳内制成, 模块内部的电联接方式如图1所示。图中VD₁~VD₆为六个芯片, 相互联成三相整流桥、晶闸管串接在电桥的正输出端上。图2示出了模块外形结构示意图, 现将图中的主要结构件的功能分述如下:
  1)铜基导热底板:其功能为陶瓷覆铜板(DBC基板)提供联结支撑和导热通道, 并作为整个模块的结构基础。因此, 它必须具有高导热性和易焊性。由于它要与DBC基板进行高温焊接, 又因它们之间热线性膨胀系数(铜为16.7×10^-6/℃, DCB约不5.6×10^-6/℃)相差较大, 为此, 除需采用掺磷、镁的铜银合金外, 并在焊接前对铜底板要进行一定弧度的预弯, 这种存在一定弧度的焊成品, 能在模块装置到散热器上时, 使它们之间有充分的接触, 从而降低模块的接触热阻, 保证模块的出力。

  2)DCB基板:它是在高温下将氧化铝(A1₂O₃)或氮化铝(A1N)基片与铜箔直接双面键合而成, 它具有优良的导热性、绝缘性和易焊性, 并有与硅材料较接近的热线性膨胀系数(硅为4.2×10^-6/℃ , DCB为5.6×10^-6/℃), 因而可以与硅芯片直接焊接, 从而简化模块焊接工艺和降低热阻。同时, DBC基板可按功率电路单元要求刻蚀出各式各样的图形, 以用作主电路端子和控制端子的焊接支架, 并将铜底板和电力半导体芯片相互电气绝缘, 使模块具有有效值为2.5kV以上的绝缘耐压。
  3)电力半导体芯片超快恢复二极管(FRED)和晶闸管(SCR)芯片的PN结是玻璃钝化保护, 并在模块制作过程中再涂有RTV硅橡胶, 并灌封有弹性硅凝胶和环氧树脂, 这种多层保护使电力半导体器件芯片的性能稳定可靠。半导体芯片直接焊在DBC基板上, 而芯片正面都焊有经表面处理的钥片或直接用铝丝键合作为主电极的引出线, 而部分连线是通过DCB板的刻蚀图形来实现的。根据三相整流桥电路共阳和共阴的连接特点, FRED芯片采用三片是正烧即芯片正面是阴极、反面是阳极和三片是反烧即芯片正面是阳极、反面是阴极, 并利用DCB基板的刻蚀图形, 使焊接简化。同时, 所有主电极的引出端子都焊在DCB基板上, 这样使连线减少, 模块可靠性提高。
  4)外壳壳体采用抗压、抗拉和绝缘强度高以及热变温度高的, 并加40%有玻璃纤维的聚苯硫醚(PPS)注塑型材料组成, 它能很好地解决与铜底板、主电极之间的热胀冷缩的匹配问题, 通过环氧树脂的浇注固化工艺或环氧板的间隔, 实现上下壳体的结构连接, 以达到较高的防护强度和气闭密封, 并为主电极引出提供支撑。
 
  2. 应用
  大功率高频开关器件(IGBT、功率MOSFET、IGCT等)已广泛用于VVVF、UPS、SMPS、逆变焊机、伺服电机传动放大器等具有直流环的逆变装置内。图3和4分别示出了VVVF变频器和高频逆变焊机的电原理图。   目前, 图中的VD₁~VD₆均采用普通整流二极管, R为充电限流电阻, K为接触器, 其作用是对充电限流电阻进行短接。由于高的开关频率, 以及VD₁~VD₆的反向恢复峰值电流高和反向恢复时间较长, 因而产生谐波, 并使电流、电压的波形严重畸变, 噪声很高, 用超快恢复二极管(FRED)替代普通整流二极管作为逆变器的输入整流器, 可使变频器的噪声降低到15dB, 这主要是由于FRED的关断特性(低的反向恢复峰值电流和短的反向恢复时间)所决定。图5给出了FRED导通和关断期间的电流波形图。   FRED的其主要反向关断特性参数为:反向恢复时trr=ta+tb(ta-少数载流子在存储时间, ta-少数载流子复合时间)；反向恢复峰值电流IRM；反向恢复电荷Qrr=1/2trr×I_RM以及表示器件反向恢复曲线软度的软度因子S=tb/ta。而FRED的正向导通主要参数有：正向平均电流I_F(AV)；正向峰值电压U_FM；正向均方根电流I_F(RMS)以及正向(不重复)浪涌电流I_FSM。FRED的反向阴断特性参数为：反向重复峰值电压U_RRM和反向重复峰值电流I_RRM。必须指出反向恢复时间t_rr随着结温Tj的升高, 所加反向电压U_RRM的增高以及流过的正向电流I_F(AV)的增大而增长, 而主要用来计算FRED的功耗和RC保护电路的反向恢复峰值电流I_RM和反向恢复电荷Qrr亦随结温Tj的升高而增大。因此, 在选用由FRED组成的“三相FRED整流桥开关模块”时, 必须充分考虑这些参数的测试条件, 以便作必要的调整。这里值得提出的是目前的价格比普通整流二极管高, 但由于使用FRED使变频器的噪音大幅度降低(降低达15dB), 这将直接影响到变频器内EMI滤波电路的电容器和电感器的设计, 使它们的尺寸大大缩小和价格大幅度下降, 并使变频器更能符合EMI标准的要求。   此外, 在变频器中, 对充电限流电阻下进行短接的开关, 目前一般都采用机械接触器, 但由于环境的影响, 特别是在湿度大或带粉尘的环境下, 往往会使触头损坏, 另外接触器接通和断开时产生电弧, 致使接触器寿命缩短而损坏, 从而严重影响变频器的稳定可靠工作。为了解决上述存在的问题, 采用FRED替代普通整流二极管，采用晶闸管替代机械接触器, 制成如图所示的“三相整流桥开关模块” , 这种模块用于变频器后, 能使变频器性能大大提高、体积缩小、重量减轻、工作稳定可靠。



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