开关电源转换器电力电子集成技术分析

电力电子电源设备的制造特点是：非标准件多，设计周期长、成本高、可靠性低、工作量大，而用户要求制造厂生产的电力电子产品要实用 、可靠性要高，体积重量要小，成本要低。这就使生产厂家承受的压力很大，迫切需要开展集成电力电子模块的研究开发，使电力电子产品标 准化、模块化，可制造性、规模生产、降低成本等目标得以实现。

实际上，在电力电子集成技术的发展进程中，已经经历了功率半导体器件的模块化、功率与控制电路的集成化、无源元件的集成(包括磁集成 技术)等发展阶段。

1)电力电子器件模块

电力电子电路常常由多个电力电子器件组成，如一个双向开关至少需要两个三端器件和两个二极管组成;考虑到串/并联、单相、三相半桥或 全桥开关电路要用几个，甚至几十个开关器件和一些辅助器件(如快速二极管)组成。电力电子转换器的功率电子器件之间的互连线多、寄生电 感大。为了使其结构紧凑、体积小、加工方便，更为了缩短开关器件之间的互连导线，减小电感，电力电子器件必须实现模块化、集成化。将 若干个功率开关器件和快速二极管组合成标准的电力电子器件模块(Power Modu1e)，是集成电力电子技术发展进程中最原始和最简单的集成化 、模块化。逆阻(Reverse B1ocking，RB)IGBT的出现，使双向IGBT开关省去了两个二极管，有利于组成矩阵转换器模块。

但是，电力电子器件模块仅仅是若干电力电子器件的集成，还没有与驱动、控制、保护、检测、通信等功能集成，有待于进一步发展。

2)智能功率模块

20世纪80年代开发了智能电力电子模块(Inte11igent Power Modu1e，IPM)将电力电子器件与驱动、智能控制、保护、逻辑电路等集成封装， IPM又称为智能电力电子集成电路(Smart Power IC)。

近几年来的发展方向是将小功率系统集成在一个芯片上(Systemn Chip)，可以使电力电子产品更为紧凑，体积更小，也减小了引线的长度， 从而减小了寄生参数。在此基础上，可以实现一体化(A11 in ONe)，将所有元器件连同控制保护集成在一个模块中。有报道称，美国有研究人员将小功率异步电动机的运动控制系统(包括逆变器、微处理器、控制保护电路)集成在电动机内，形成传动控制系统与电动机的 一体化。

3)集成电力电子系统

20世纪90年代，随着大规模分布电源系统的发展，IPM的设计观念被推广到更大容量、更高电压的集成电力电子电路，并提高了集成度，称为 集成电力电子模块(IntegratedPower E1ectronics Modu1e，IPEM)。将电力电子器件与电路、控制、以及检测、执行等元器件集成封装，得到 标准的、可制造的IPEM模块、既可用于标准设计，又可用于专用特殊设计。优点是可以快速高效地为用户提供产品，显着降低了成本，提高了 可靠性。

应用了嵌人式电力电子半导体功率器件的多层集成封装技术，可以把包括散热板、基板、绝缘传热材料、功率母线、电力半导体功率器件、 铜层、陶瓷、集成无源元件、金属层、表面贴装芯片(驱动、检测及保护元件)等封装在一起。

IPEM模块的设计，既要考虑到电路的连接，也要考虑到热流通路和散热。过去功率半导体器件中芯片互连的传统方法是铝丝键合法，性能和 可靠性均比较差。电路靠导线连接，增大了寄生电感。现在IPEM模块中用喷涂金属层、表面贴装金属层等平面金属化技术连通电路，可以使寄 生参数减到最小。