FRED整流�開關(guān)模塊是由六個超快恢�(fù)二極�芯片和一個大功率高壓晶閘�芯片按一定電路連成后共同封裝在一個PPS外殼�(nèi)制成的設(shè)備�
近二十年來生�(chǎn)各類電力半導(dǎo)體模塊的工藝制造技�(shù),設(shè)計能力,工藝和測試設(shè)備以及生�(chǎn)制造經(jīng)�,于2005年開�(fā)出了能滿足VVVF變頻�、高頻逆變焊機(jī)、大功率開關(guān)電源、不停電電源、高頻感�(yīng)加熱電源和伺服電�(jī)傳動放大器所需的“三相整流二極管整流橋開�(guān)模塊�(其型號為3QL)的基�(chǔ)上,近期又開�(fā)出了“三相超快恢�(fù)分公司極管整流橋開關(guān)模塊�(其型號為MURP),由于這種模塊與采�3�5普通整流二極管相比具有反向恢復(fù)時間(trr)�,反向恢�(fù)峰值電�(IRM)小和反向恢復(fù)電荷(Qrr)低的FRED,因而使變頻的噪音大大降�,從而使變頻器的EMI濾波電路�(nèi)的電感和電容尺寸減小,價格下�,使變頻器更易符合國�(nèi)外抗電磁干擾(EMI)�(biāo)�(zhǔn)�
模塊化結(jié)�(gòu)提高了產(chǎn)品的密集�、安全性和可靠�,同時也可降低裝置的生產(chǎn)成本,縮短新�(chǎn)品�(jìn)入市場的周期,提高企�(yè)的市場競爭力。由于電路的�(lián)線已在模塊內(nèi)部完�,因�,縮短了元器件之間的連線,可實現(xiàn)�(yōu)化布線和對稱性結(jié)�(gòu)的設(shè)�,使裝置線路的寄生電感和電容參數(shù)大大降低,有利于實現(xiàn)裝置的高頻化。此�,模塊化�(jié)�(gòu)與同容量分立器件�(jié)�(gòu)相比,還具有體積小、重量輕、結(jié)�(gòu)緊湊、外接線簡單、便于維�(hù)和安裝等�(yōu)�,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�5kV以上有效值的絕緣耐壓,使之能與裝置內(nèi)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�(jìn)一步縮�,簡化裝置的�(jié)�(gòu)�(shè)計�
FRED整流橋開�(guān)模塊是由六個超快恢�(fù)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�(nèi)制成,模塊內(nèi)部的電聯(lián)接方式如�1所�。圖中VD1~VD6為六個FRED芯片,相互聯(lián)成三相整流橋、晶閘管T串接在電橋的正輸出端�。圖2示出了模塊外形結(jié)�(gòu)示意�,現(xiàn)將圖中的主要�(jié)�(gòu)件的功能分述如下�
1)鋁基�(dǎo)熱底板:其功能為陶瓷覆鋁�(DBC基板)提供�(lián)�(jié)支撐和導(dǎo)熱通道,并作為整個模塊的�(jié)�(gòu)基礎(chǔ)。因此,它必須具有高�(dǎo)熱性和易焊�。由于它要與DBC基板�(jìn)行高溫焊�,又因它們之間熱線性膨脹系�(shù)鋁為16�7×10-6/�,DBC約不5�6×10-6/�)相差較大,為�,除需采用摻磷、鎂的銅銀合金外,并在焊接前對銅底板要�(jìn)行一定弧度的�(yù)�,這種存在s一定弧度的焊成�,能在模塊裝置到散熱器上時,使它們之間有充分的接�,從而降低模塊的接觸熱阻,保證模塊的出力�
2)DBC基板:它是在高溫下將氧化�(Al2O3)或氮化鋁(AlN)基片與銅箔直接雙面鍵合而成,它具有�(yōu)良的�(dǎo)熱�、絕緣性和易焊�,并有與硅材料較接近的熱線性膨脹系�(shù)(硅為4�2×10-6/�,DBC�5�6×10-6/�),因而可以與硅芯片直接焊�,從而簡化模塊焊接工藝和降低熱阻。同�,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�,并將銅底板和電力半�(dǎo)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(dǎo)體芯片:超快恢復(fù)二極�(FRED)和晶閘管(SCR)芯片的PN�(jié)是玻璃鈍化保�(hù),并在模塊制作過程中再涂有RTV硅橡�,并灌封有彈性硅凝膠和環(huán)氧樹脂,這種多層保護(hù)使電力半�(dǎo)體器件芯片的性能�(wěn)定可�。半�(dǎo)體芯片直接焊在DBC基板�,而芯片正面都焊有�(jīng)表面處理的鉬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DBC板的刻蝕圖形來實�(xiàn)�。根�(jù)三相整流橋電路共陽和共陰的連接特點,F(xiàn)RED芯片采用三片是正�(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DBC基板的刻蝕圖�,使焊接簡化。同時,所有主電極的引出端子都焊在DBC基板�,這樣使連線減少,模塊可靠性提高�
4)外殼:殼體采用抗�、抗拉和絕緣強度高以及熱變溫度高的,并加�40%玻璃纖維的聚苯硫�(PPS)注塑型材料組�,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�(huán)氧樹脂的澆注固化工藝或環(huán)氧板的間�,實�(xiàn)上下殼體的結(jié)�(gòu)連接,以�(dá)到較高的防護(hù)強度和氣閉密封,并為主電極引出提供支��
大功率高頻開�(guān)器件(IGBT、功率MOSFET、IGCT�)已廣泛用于VVVF、UPS、SMPS、逆變焊機(jī)、伺服電�(jī)傳動放大器等具有直流�(huán)的逆變裝置�(nèi)。圖3�4分別示出了VVVF變頻器和高頻逆變焊機(jī)的電原理圖 目前,圖中的VD1~VD6均采用普通整流二極管,R為充電限流電�,K為接觸器,其作用是對充電限流電阻�(jìn)行短接。由于高的開�(guān)頻率,以及VD1~VD6的反向恢�(fù)峰值電流高和反向恢�(fù)時間較長,因而產(chǎn)生諧�,并使電�、電壓的波形�(yán)重畸�,噪聲很�,用超快恢復(fù)二極�(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�15dB,這主要是由于FRED的關(guān)斷特�(低的反向恢復(fù)峰值電流和短的反向恢復(fù)時間)所決定。圖5給出了FRED�(dǎo)通和�(guān)斷期間的電流波形��
FRED的其主要反向�(guān)斷特性參�(shù)為:反向恢復(fù)時trr=ta+tb(ta一少數(shù)載流子在存儲時間,tb一少數(shù)載流子復(fù)合時�);反向恢�(fù)峰值電流IRM;反向恢�(fù)電荷Qrr=l/2trr×IRM以及表示器件反向恢復(fù)曲線軟度的軟度因子S=tb/ta。而FRED的正�?qū)ㄖ饕獏�?shù)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�(fù))浪涌電流IFSM。FRED的反向陰斷特性參�(shù)為:反向重復(fù)峰值電壓URRM和反向重�(fù)峰值電流IRRM。必須指出:反向恢復(fù)時間trr隨著�(jié)溫Tj的升�,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�,而主要用來計算FRED的功耗和RC保護(hù)電路的反向恢�(fù)峰值電流IRM和反向恢�(fù)電荷Qrr亦隨�(jié)溫Tj的升高而增�。因此,在選用由FRED組成的“三相FRED整流橋開�(guān)模塊”時,必須充分考慮這些參數(shù)的測試條�,以便作必要的調(diào)�。這里值得提出的是:目前FRED的價格比普通整流二極管�,但由于使用FRED使變頻器的噪音大幅度降低(降低�(dá)15dB),這將直接影響到變頻器�(nèi)EMI濾波電路的電容器和電感器的設(shè)�,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�(biāo)�(zhǔn)的要��
此外,在變頻器中,對充電限流電阻�(jìn)行短接的開關(guān),目前一般都采用�(jī)械接觸器,但由于�(huán)境的影響,特別是在濕度大或帶粉塵的環(huán)境下,往往會使觸頭損壞,另外接觸器接通和斷開時產(chǎn)生電�,致使接觸器壽命縮短而損壞,從而嚴(yán)重影響變頻器的穩(wěn)定可靠工�。為了解決上述存在的問題,常州瑞華電力電子器件有限公司采用FRED替代普通整流二極管,采用晶閘管替代�(jī)械接觸器,制成如�1所示的“三相FRED整流橋開�(guān)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�、重量減�、工作穩(wěn)定可��
它已廣泛用于VVVT、SMPS、UPS、逆變焊機(jī)以及伺服電機(jī)�(qū)動放大器等具有直流環(huán)節(jié)的變頻裝置,并已取得很大成效。用超快恢復(fù)二極�(FRRD)替代普通整流管所�(gòu)成的“三相FRED整流橋開�(guān)模塊�(型號為MFST)亦可用于上述各種電壓型變頻器,但可大幅度降低變頻器噪音達(dá)15dB,這一效應(yīng)將直接影響到變頻器的EMI濾波電路�(nèi)電容器和電感器的�(shè)�,并使它們的尺寸大大縮小,從而降低裝置的成本和縮小裝置的體積,使變頻器的性能提高,工作穩(wěn)定可�,使變頻器更能滿足國家EMI�(biāo)�(zhǔn)。而以晶閘管替代用以短路充電電阻的�(jī)械接觸器,使變頻器的工作壽命延長,工作更�(wěn)定更可靠。當(dāng)前,雖然FRED要比普通整流管更貴,而且模塊制作工藝亦將更復(fù)雜,但綜合考慮分析上述�(yōu)�,隨著FRED芯片價格的�(jìn)一步下降和模塊制造工藝的�(jìn)一步成熟和�(guī)?;a(chǎn),這種“三相FRED整流橋開�(guān)模塊”將獲得飛快�(fā)展和廣泛的應(yīng)��