电力电子集成技术的现状及发展方向教学试题

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1、电力电子集成技术的现状及发展方向王兆安 杨旭 王晓宝【论文摘要】综述了电力电子集成技术目前的基本概念、研究的意义和现状等；列举了当前主要的研究机构和研究内 容;分析了未来的发展方向。【论文关键词】电力电子技术；封装；电力半导体器件/集成技术 Abstract Basic concepts importance and state-of-art of the powder electronic integration are introduced in tie paper major research groups and research works are listed and the fu

2、ture development trends are analyzed Key words：power electronics; package ; powder semionductor device/integration 1概述电能是迄今为止人类文明史上最优质的能源。虽然人类在电能的产生、传输和利用方面已取得了辉煌的成就，但如何更合理、更高效、更精确和更方便地利用电能，仍然是需要解决的重大问题。 电力电子技术的诞生和发展使人类对电能的利用方式发生了革命性的转变，并且极大地改变了人们利用电能的观念。在世界范围内，用电总量中经过电力电子装置 变换和调节的比例已经成为衡量用电水平的重要指标，

3、目前，全球范围内该指标的平均数为40%而到2010年将达到80%1。这就对电力电子技术提出了新的 挑战。然而，现在电力电子技术的发展已走到了十字路口电力电子装置的复杂性与其应用的广泛性之间的矛盾越来越尖锐。一方面众多领域需要大量使 用电力电子装置，而另一方面，电力电子装置面向的应用千差万别，使得设计、生产和维护需要耗费大量的人力和物力，给普及和推广造成了巨大障碍，成为电能利 用技术进步的瓶颈。目前，国际电力电子学界普遍认为，电力电子集成技术是解决电力电子技术发展面临的障碍，进一步拓展电力电子技术应用领域的最有希望的出路。 电力电子集成概念的提出有十余年的历史，早期的思路是单片集成，体现了片内系

4、统（SystemOnChip-SOC)的概念，即将主电路、驱动、保护和 控制电路等全部制造在同一个硅片上。由于高压、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的问题，故单片集成 难度很大，目前仅在小功率范围有所应用，而在中大功率范围内，只能采用混合集成的办法，将多个不同工艺的器件裸片封装在一个模块内，现在广泛使用的电力电 子功率模块和智能功率模块(PM)都体现了这种思想。1997年前后，美国政府、军方及电力电子技术领域的一些著名学者共同提出了电力电子积木 （PowerElectronicBuildingBlock-PEBB)的概念14，明确了集成化这一电

5、力电子技术未来的发展方向，并将电力电子集 成技术的研究推向高潮。2集成的意义集成技术的研究决定着电力电子技术未来的兴衰命运，这一点可以通过与电子技术发展历程的对比来认识。 回顾电子技术发展轨迹，在以集成电路为标志的微电子技术出现以前，电子装置的设计、制造和维护也曾有相似情况。微电子技术的出现将电子设计中最主要的难 点和绝大部分工作量封装在集成电路中，大大降低了装置的设计、制造和维护难度;每一个受过普通工科高等教育的工程师都可以很容易地设计出用于各自技术领域 的电子装置，大大提高了生产的自动化程度。集成化极大地推广了电子技术的应用范围，使其渗透到生产和生活中的各个方面，给众多产品打上了电子技术的

6、烙印。 应用领域的拓展反过来极大地推动了该项技术自身的进步，由于得到了公众认可、资金技术和产业支持以及巨大的市场，电子技术创造出了如电脑、手机、数码照相 机、MP3播放器等诸多凝结了其全部精华的技术宠儿。历史常有惊人的相似，并使人从中得到启迪。与30年前一样，电力电子也需要从电力电子工 程师所造就的象牙塔中走出来，成为从事不同行业、具备基本技能的工程师所能驾驭的有力工具。只有这样，才能期待其更大的发展和更为辉煌的前景，而实现这一 目标的途径就是集成2。通过集成，可以将现有电力电子装置设计过程中所遇到的元器件、电路、控制、电磁、材料、传热等方面的技术难点问题和主要设计工 作解决在集成模块内部，使

7、应用系统的设计简化，仅选择合适规格的标准化模块进行拼装即可3。这一革命性的技术将使现在的电力电子技术领域分化为集成模 块制造技术和系统应用技术两个不同的分支，前者重点解决模块设计和制造的问题，通过多个不同学科的紧密交叉和融合，攻克电力电子技术中的主要难点;后者解 决针对各种广泛而多样的具体应用将模块组合成系统的问题。随着这一技术的发展，集成模块的设计和制造技术将成为电力电子技术本身研究的主要内容，而系统应 用技术则渐渐成为具备基本素质的各行业工程师所掌握和使用的一般技术他们会根据各自行业所针对的应用问题来设计和实现分散在各种装置中的电力电子系统。由 此，电力电子产业也将出现分化趋势，集成模块的

8、制造将成为该产业的主要内容，单纯的电力电子装置制造份额会逐渐减少，而更多的是渗透到其他的各个行业中去 了。但这并不意味着整个产业的萎缩，相反，由于模块在各个不同领域中的广泛应用，与集成电路一样，电力电子产业将期待比现在更加蓬勃的发展。3集成技术的不同层次和形式总的来说，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

9、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，

10、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。#p#副标题#e#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

11、、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)12、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

12、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

13、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

14、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

15、;缺点是: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;寄生电感大，造成开关过电压;各铝丝之间电流分布不均匀，局部电流集中;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

16、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。5.4电力电子集成模块的计算机仿真、辅助设计理论和方法 IPEM集成度高、结构和工艺复杂，其设计涉及到电力电子器件、电路、控制、电磁、材料、传热等不同领域的技术问题，必须借助计算机仿真和辅助设计 (CAD)工具，但现有的软件都不能胜任这一工作，要将电路、电磁场、传热等多种不同的仿真和CAD方法集成起来才行，这对仿真和CAD理论提出了新的挑 战，如图10,图11和图12所示。5.5应用系统设计这部分的研究主要基于标准化集成模块的应用系统设计。内容涉及根据应

17、用选取适当的模块，解决多模块构成的系统运行稳定性问题及进行系统的优化设计。因尚未形成模块的标准化系列，目前这一领域的研究主要是试图建立由模块构成的示范系统，以证明电力电子集成概念的可行性和有效性。目前一个成功的范例是集成交流电机(IntegratedMotor)功率约1kW的变频器被集成在交流异步电机的壳体内，从而使电机具有了可调速性能，并且体积小，效率高。此外，还有采用集成技术的分布式电源系统等。6结论对电力电子集成技术的概念、意义和发展概况进行了综述，详细介绍了国内外该领域的主要研究机构和研究内容，作出如下结论： 电力电子集成技术是目前电力电子技术领域最为重要的研究方向，必将成为未来该领域

18、的研究热点，并在某种程度上决定电力电子技术未来的兴衰命运;单片 集成、混合集成和系统集成可看成是电力电子集成的不同层次和形式，现阶段，单片集成局限于小功率范围；中功率领域多采用混合集成或混合集成与系统集成相结 合的形式;大功率领域仍以系统集成为主。由于具有更高的集成度和更好的性能，单片集成和混合集成是未来集成技术的主要发展方向；目前应该立足于现有的技 术水平，根据实际情况，采取合理的集成度和集成形式，并应尽快推进集成技术的实用化和产业化。【参考文献】1 Lee F C Peng D M. Power Electronics Building Block and System Integrati

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20、VLSI 98 System Level Design Proceedings IEEE Computer Society Workshop C .1998 1 48 52. 4 Ericsen T. Power Electronic Building Block_a Systematic Approach to Power Electronics A . Power Engineering Society Summer Meeting 2000 IEEE C . 2000 2： 1216 1218.5 Porter E，Ang S Burgers K. et a/. Miniaturizin

21、g Power Electronics using Multi-chip Module Technology A . Proceedings of International Conference on Multichip Modules q . 1997, 1: 329 333.6 Collado A，Jorda X，Cabruja E，et a/. MCM-D Package for Power Applications Integrated Power Packaging A . I- WIPP 200C| C . 2000 69 73.7 Fisher R Fillion R Burgess J et a/. High Frequency， Low Cost，Power Packaging Using Thin Film Power Overlay Tedinology A . APEC 95 C . 1995, 1: 12 17.7教学#材料