三相超快恢复极管FRED整流桥开关模块

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1、三相超快恢复二极管FRED整流桥开关模块新闻来源：中国电力电子产业网发布时间：2013-4-1 9:38:10摘要：采用混合集成技术，把由六个超快恢复二极管(FRED)芯片组成的三相整流桥和一个作为开关的 晶闸管(SCR)芯片混合集成在一个PPS外壳内，制成了 “三相FRED整流桥开关模块”，它主要用于调压调 频(VVVF)、大功率开关(SMPS)、不间断电源(UPS)、高频逆变焊机、高频感应加热电源、伺服电机驱动放大 器等具有直流环节的变频装置内。简要地介绍了这种模块的设计和制作特点，内部结构和部件作用，应用 领域及其主要技术参数。关键词：超快恢复二极管(FRED);陶瓷覆铜板(DBC);混

2、合集成技术;变频装置。1引言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，缩短新产品进入 市场的周期，提高企业的市场竞争力。由于电路的联线巳在模块内部完成，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体积，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2.5KV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

3、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。常州瑞华电力电子器件有限公司根据市场需求，充分利用公司近二十年来专业生产各类电力半导体模 块的工艺制造技术，设计能力，工艺和测试设备以及生产制造经验，于2006年开发出了能满足VVVF变频 器、高频逆变焊机、大功率SMPS、UPS、高频感应加热电源和伺服电机驱动放大器所需的，现巳批量供用 户使用的，“变频器专用多功能集成模块”(其型号为MDST)的基础上，于2008年又开发出了 “三相FRED 整流桥开关模块”(其型号为MFST)，由于这种模块采用了与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(IRM)小和

4、反向恢复电荷(Qrr)低的FRED，使变频装置的噪声电平降低15分贝(dB)， 亦使变频装置内抑置或消除EMI干扰的低通滤波电路内的电感和电容尺寸减小，价格下降，使变频装置更 易符合国内外抗电磁干扰(EMI)标准的要求。2模块的结构及特点图I模块内部电联接原理图-1-6-iM-5Ir1肝01叵叵图2褪块外形登鬲示吏图2) DBC基板：它是在高温和一定氧气氛下将氧化铝(A12O3)或氮化铝(AlN)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：4.2X10-6/C,DBC：7.1X106/C),因而可以与硅芯片直接焊接省去过渡层钥片，从

5、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，像PBC板一样刻蚀出各式各样的图形，以用作电 力半导体芯片的焊接衬底、模块主电路端子和控制端子的焊接支架，它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。此外，DBC板的固态铜簿层具有很高电导率和大的 载流量，在相同载流下，0.3mm厚的铜簿线宽仅为PCB板的10%。3) 电力半导体芯片：超快恢复二极管(FRED)和(SCR)芯片的PN结都是玻璃钝化保护，在模块制作过程 中在PN结上再涂有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

6、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 到 DBC板上作为主电极的引出线，而部分联线是通过DBC板的刻蚀图形来实现。根据三相整流桥电路共阳 和共阴的联结特点，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DBC基板的刻蚀图形，形成三相整流桥的共阴和共阳公共联线，使焊接简 化。同时，所有主电极的引出端子都焊在DBC基板上，这样使联线减少，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，并加有40%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

7、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联结，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。为了保证外壳成形时不形变，必须采取局部加厚和加强筋等措施，并尽可能使各处壁厚一致， 以防在成型过程中由于不均匀的凝固和收缩，使厚壁处产生气泡和变形，严重影响外壳质量。3主要应用领域、功效和技术参数3.1主要应用领域三相FRED整流桥开关模块主要用于由大功率高频开关器件（IGBT、功率MOSFET、IGCT等）制成的，带 中间直流环节的变频装置内，如VVVF变频器、UPS、大功率SMPS、高频逆变焊机、伺服电机驱动放大器和 高频感应加热装置等逆

8、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。图3兽型的浙更独检电原理图图4芒:强逆斐强机电原理图目前，图中的D1D6均采用三相普通整流二极管整流桥模块，R为充电限流电阻，K为机械接触器， 其作用是对充电限流电阻进行短接。3.2功效用“三相FRED整流桥开关模块”替代分立的“三相普通整流桥模块”和机械接触器，就可达到以下的 功效：(1) 在变频电路中，由于开关器件(IGBT、功率MOSFET、IGCT等)和FRED的高速开关，就产生高的di/dt 和dv/dt，结合电路的寄生电感和电容，使之产生大量的电磁干扰(Electromagnetic Interference ,

9、EMI), 这样使变频装置的输入端产生较大的共模干扰和差模干扰，从而产生谐波和波形严重失真。用FRED替代普 通整流二极管(SR)后，由于FRED的反向恢复时间Trr(纳秒级)比SR(微秒级)的短得多，而同容量的FRED 反向恢复电流IRM只有SR的1 /21/3，如图5所示，这样在10KHZs200KHZ频率范围内可降低EMI噪声 电平15分贝(db)4，因而使抑制或消除EMI干扰的低通滤波器内电感器和电容器尺寸缩小，成本降低， 并减少变频装置对电网的污染，使其更能符合国内外EMI标准的要求。当然，目前FRED要比SR贵，但从 总价以及对某些特殊应用场合(如航天、航空、军用以及要求空间限制的

10、场合)以及变频装置更符合EMI标 准要求的角度来说，采用三相FRED整流桥模块是非常必要的。随着FRED规模生产的发展，成品率的提高， 其成本将大幅度降低，本模块的应用前景广阔。(2) 用晶闸管替代机械接触器，实现了电力半导体无触点动力开关的目的，避免了因接触器带电弧开关 和潮湿或带粉尘环境的影响使触头经常损坏的现象，而半导体无触点开关的寿命理论上是永久性的，因而 使变频装置的可靠性和稳定性大大提高，并使装置的寿命延长和体积缩小。(3) 用三相FRED整流桥开关模块替代分立的SR三相整流桥模块和机械接触器，非但能减少和缩短它们 间的相互联线，而且大大缩小了体积，这十分有利于空间要求十分严格，可

11、靠性要求很高的军事、航天、 航空领域以及艇、船等特殊应用领域，达到简化设计，提高装置模块化程度。3.3主要技术参数本公司生产的“三相FRED整流桥开关模块”（型号为MFST）的主要参数见表1表1“三相FRED整流桥开关模块”的主要技术参数序号星技术参数名称e单位口额定值口测试条件*模块直流输出电流Ik75200三相全波整流，Tc=82孕模块输入交流电压铃3沧二相交流匿网电压*3*模块工作温度L*-4。 1254若超过1251C.晶闸管 工作必模块存储温度 Lk- 40 125同上模块绝缘耐压褊时K交流50HZ. 1分钟， 主电极端子和辅助端 接后，对桐底板打耐16品模块缮f （铜底板）热阻 匾

12、ahK/祁0. 130. 05FRED正向平均电流L40 1QS正弦半波、阻性斐载 =%们FRED反向豆复峰值电压如:虾轮1200。，二 1S0C或 25ccFRED反向重复峰值电流mA尸勺0尸E5OC或 23C加&正向峰值电压成、L 1. &L=Lk, Tj= 251比正向非重复浪涌电流Lm520 129 供10ms I-4C %.=0.L反向恢复时间0口4080fT=25 KC, L = %1C di/dt=100A/us反向恢复峰值电流I*Ap典型值，同上口1如FRED单片结f铜底板）热阻Rth （j-c） 口K/防1. 19-0. 46-15晶闸管通态平均电流L顷MAp100230f正

13、弦波180度导通弃=对&16p晶闸管断态真复峰值电压瑚、*180。户匚二拓。笔或2畦1行晶闸管反向重复峰值电压V5180。户T150cC或 201景晶陶管断态亘复峰值电流商mA户实12户EK或露p加耻19点晶闸管反向重复峰值电流hiApT-ldOT：或鸵1C加成孤晶南菅门极触发电流/电压I&7/V6TPmA /W150/2. 2T25CC,七=洲21晶闸管通态峰一值电压 财1_ 30L S3醯=上妃L二晶司菅结二S铜底板)热阻K/舛0. 320.4模块的制作工艺技术4.1简化的焊接工艺模块制作技术的核心技术是焊接工艺，目前存在着热板焊接工艺、回流(隧道炉)焊接工艺、真空焊接 工艺以及真空加气体

14、保护焊接工艺等。本公司从2004年开始研发和小批量生产FRED模块时，采用了适合 规模生产的氢(H2)、氮(N2)混合气体保护、铝丝健合、高低温二次隧道炉和热板炉焊接工艺，并取得了一 定的成果。但考虑到FRED高频芯片结构不同于IGBT和功率MOSFET结构的现实，在解决了一次焊接工装模 具的设计和制造后，找出了隧道炉各区的分布温度、焊接温度、焊接时间和传送带速度之间的最佳匹配关 系，达到了精确控制升温速度，恒温时间和冷却速度等关键焊接工艺参数后，本项目采用了氢(H2)、氮(N2) 混合气体保护的隧道炉一次焊接工艺。由二次焊接加铝丝键合工艺改为一次焊成工艺后，使生产周期几乎 缩短(58)%，成

15、本降低约6%，还可不用购置价格昂贵的铝丝键合设备和热板炉，大大节约了投资。同时 还可减少一些不必要的、且预留隐患的铝丝键合工艺，因为实践表明，铝丝键合点的脱落和虚焊以及因铝 丝的长短、数量、键合点位置等因高频趋肤效应和互感效应使铝丝过热而损坏，是模块损坏的主要因素。 目前本公司正在开发“真空+气体保护”焊接工艺，增加焊层厚度，这将大大提高焊接质量，达到无空洞的 100%有效焊层。2)独特的结构设计图6和图7分别示出了 “三相FRED整流桥模块内部结构联线示意图”和“DBC板上FRED芯片、SCR芯片及电极引出线示意图”，根据三相整流桥共阳和共阴的联结特点，FD1、FD2和FD3采用反烧结构 (

16、阳极在上、阴极在下)的FRED芯片，而FD4、FD5和FD6采用正烧结构(阴极在上，阳极在下)的FRED芯片， 并利用DBC板的刻蚀图形形成三相整流桥的共阳和共阴公共联线，如图7所示，因而模块内部结构设计简 化，联线数减少、工艺简化、使进出电极并行，有利于降低寄生电感，使模块工作稳定可靠。5.结束语2006年常州瑞华电力电子器件有限公司研发成功的“变频器专用多功能集成模块”(型号为MDST)是 由六个普通整流二极管(SR)和一个晶闸管(SCR)组成，其内部电联接原理图如图1所示，它巳广泛用于VVVF 变频器、大功率SMPS、UPS、高频逆变焊机以及伺服电机驱动放大器等具有直流环节的变频装置，现

17、巳批 量供用户使用，并有部分产品出口，巳取得很大成效。用FRED替代SR所构成的“三相FRED整流桥开关模 块”(型号为MFST)亦可用于上述各种变频装置内，由于FRED具有极好的关断特性，可大幅度降低变频装 置EMI噪声电平达15db，若用快恢复二极管(FRD)替代SR，亦可降低EMI噪声电平达10db，这一效应将直 接影响到变频装置内抑制或消除EMI干扰的滤波电路内电容和电感的设计，并使它们的尺寸大大缩小，从 而降低装置的成本和缩小装置的体积，使变频装置的性能提高，工作稳定可靠，使变频装置更能满足国内 外EMI标准要求。而以晶闸管替代用以短路充电电阻的机械接触器，将使变频装置的工作寿命延长

18、，工作 更稳定更可靠。当前，虽然FRED要比SR更贵，而且模块制作工艺亦将更复杂，但综合考虑分析上述优点， 随着FRED芯片价格的进一步下降和模块制造工艺的进一步成熟和规模化生产，这种“三相FRED整流桥开 关模块”将获得非快发展和广泛的应用。本项目巳获国家发改委批准列入新型器件产业化专项。参考文献：1. 吴济钧.电力半导体模块及其发展方向J电源技术应用杂志，2001 (8):53-592. 颜辉、吴济钧.超快恢复二极管模块的制作技术J现代焊接杂志，2008(5)，22-243. Dewar S.et.al,PCIM Europe,1998.6Z4.IXYS Application note IXAN0043,Input Rectifiers with Semifast Diodes for DC LinkZ5.吴济钧、吴莉莉.电力半导体模块及其工艺技术J半导体情报杂志，2001 (2)(38卷1期)23-27页