功率器件向高集成智能功率模块发展

上网时间: 2001年09月01日? 我来评论 【字号: ? ?小】

关键字:功率器件? 可控晶闸管? GTR?

回顾功率器件的发展,从二极管到三极管,实现了从不可控到可控的飞跃;可控晶闸管的诞生打开了可控器件向大功率发展的大门,从此可控晶闸管统治着大功率器件市场。但可控晶闸管只能控制开通而不能控制关断,限制了其在许多领域的发展。特别是在高频领域,要求能高频控制功率变换,从而提高功率变换装置的效率,减小体积。双极功率三极管(GTR)首先站了出来,随着饱和压降不断降低和频率提高,GTR在许多领域找到了用武之地。但是由于它的控制功率大(功率放大倍率较低),保护设计复杂,器件存在二次击穿等问题,因而应用无法快速推广。随着功率金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)的诞生和发展,MOSFET凭借微功率电压控制特性和高频率,迅速在中小功率变换领域发挥作用。但其通态电阻与电压限制了它向高电压应用发展。而这时绝缘栅双极晶体管(IGBT)的发明结合了MOSFET的电压控制特性和GTR的饱和电压特性,突破了两类器件的限制,开始向大功率领域进军。

纪全胜


副总经理


达科动力有限公司

另一方面,随着功率器件的不断进步,功率变换的应用领域不断扩大,应用电路也越来越复杂,从单管控制斩波电路到两管半桥电路,从四管H桥电路到六管三相逆变电路甚至多管开关电路。在主逆变电路功率器件增加的同时,对控制电路和驱动技术的要求也越来越高。虽然单个功率器件的效率越来越高、控制简化,但电路的复杂性给使用者提出了新的要求。为便于客户使用功率器件,功率模块应运而生。它的设计目的是将功率器件的配置、散热,乃至驱动问题在模块中解决,为用户提供易于使用、可靠的功率器件。

功率器件的驱动技术也走过从电流驱动到电压驱动,光电转换到高压集成电路(HVIC)的发展阶段。在双极晶体管的电流驱动时代,由于损耗很大,为使模块体积尽可能小,省略了驱动和保护电路,由客户外配。但功率模块的体积还是很大,杂散电感的影响也限制了其向高频发展,这些缺陷限制了功率模块的推广和发展。IGBT取代双极晶体管,使功率模块得以飞速发展:首先由于采用电压驱动,器件的驱动更易于实现,其次效率的提高使小型化成为可能。 HVIC技术的应用更是使驱动技术产生了质的飞跃,HVIC的主要特点是:单电源供电(光耦隔离必须4个电源供电),温度漂移小,延迟时间一致,高频和小体积。驱动功率的不断下降、驱动电路占位空间的大幅减小、频率的提高,都有助于推动在一个模块内集成驱动电路与功率器件。

近年来带驱动和保护电路的智能功率模块(IPM)相继面市,如三菱的IPM模块,用户不必考虑器件的具体运行,只需设计系统控制部分和最优的结构。新型IPM模块甚至将开关电源也设计在模块内,更加方便用户使用。这也是初期人们喜欢IPM模块的主要原因。同时,器件制造商在提高器件的技术水平的同时,也在努力推出更系统化的模块,如包括整流、逆变、驱动、保护和系统控制,甚至滤波、开关电源等的模块。用户只需要了解接口电路和定义,很快可以组成运行系统。

中国家电特别是变频空调行业的OEM从零开始,现在已能完全独立设计自己的产品,在功率变换模块应用方面经历了高集成度IPM模块到分立器件的过程。说明我国对功率变换、特别是在功率变换在家电中的应用已经初步掌握。这是技术成熟的必经之路,这样才能从整体上提高我们开发产品的能力。

从另一方面看,我们在掌握技术的同时,付出了昂贵的代价。如果将开发成本加到产品中,将失去价格优势,因此业内又出现重新分工的趋势:专业功率器件制造公司与空调OEM合作,共同开发高性能和低成本变频空调。实际上美、日家电OEM一直采用这种市场机制,与有能力提供先进技术和最低成本的供应商合作,创造双赢局面。虽然OEM在初期小批量采购时价格稍高,但相对于独立开发而言,成本大幅度降低,大部分开发成本和风险都转移到器件制造上。


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