模塊化結(jié)構(gòu)提高了產(chǎn)品的密集性、安全性和可靠性，同時(shí)也可降低裝置的生產(chǎn)成本，縮短新產(chǎn)品進(jìn)入市場(chǎng)的周期，提高企業(yè)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。由于電的聯(lián)線已在模塊內(nèi)部完成，因此，縮短了元器件之間的連線，可實(shí)現(xiàn)優(yōu)化布線和對(duì)稱性結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，使裝置線的寄生電感和電容參數(shù)大大降低，有利于實(shí)現(xiàn)裝置的高頻化。此外，模塊化結(jié)構(gòu)與同容量分立器件結(jié)構(gòu)相比，還具有體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊、外接線簡(jiǎn)單、便于和安裝等優(yōu)點(diǎn)，因而大大縮小了裝置的體積，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(gè)接地的散熱器上，有利于裝置體積的進(jìn)一步縮小，簡(jiǎn)化裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
常州瑞華電力電子器件有限公司根據(jù)市場(chǎng)需求，充分利用公司近二十年來專業(yè)生產(chǎn)各類電力半導(dǎo)體模塊的工藝制造技術(shù)，設(shè)計(jì)能力，工藝和測(cè)試設(shè)備以及生產(chǎn)制造經(jīng)驗(yàn)，于2006年開發(fā)出了能滿足VVVF變頻器、高頻逆變焊機(jī)、大功率SMPS、UPS、高頻加熱電源和伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)放大器所需的，現(xiàn)已批量供用戶使用的，“變頻器專用多功能集成模塊”(其型號(hào)為MDST)的基礎(chǔ)上，于2008年又開發(fā)出了“三相FRED整流橋開關(guān)模塊”(其型號(hào)為MFST)，由于這種模塊采用了與普通整流二極管相比具有反向恢復(fù)時(shí)間(trr)短，反向恢復(fù)峰值電流(IRM)小和反向恢復(fù)電荷(Qrr)低的FRED，使變頻裝置的噪聲電平降低15分貝(dB)，亦使變頻裝置內(nèi)抑置或消除EMI干擾的低通濾波電內(nèi)的電感和電容尺寸減小，價(jià)格下降，使變頻裝置更易符合國(guó)內(nèi)外抗電磁干擾(EMI)標(biāo)準(zhǔn)的要求。
“三相FRED整流橋開關(guān)模塊”是由六個(gè)FRED芯片和一個(gè)大功率高壓SCR芯片按一定電聯(lián)成后共同封裝在一個(gè)PPS(加有40%玻璃纖維)外殼內(nèi)制成，模塊內(nèi)部的電聯(lián)接方式如圖1所示。圖中FD1～FD6為六個(gè)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上。圖2示出了模塊外形結(jié)構(gòu)示意圖，現(xiàn)將圖中的主要結(jié)構(gòu)件的功能和模塊制作過程中與之有關(guān)問題及解決辦法分述如下：
此，它必須具有高導(dǎo)熱性和易焊性。由于它要與DBC基板進(jìn)行高溫焊接，又因它們之間熱線/℃)相差較大，因而它們?cè)诟邷睾附雍螅湛s尺寸相差亦很大，易引起焊料的塑性變形，使疲勞加速，最終使模塊損壞。為此，除需采用摻磷、鎂的銅銀合金外，并在焊接前對(duì)銅底板要進(jìn)行一定弧度的預(yù)彎，這種尚存一定弧度的焊成品，能在模塊安裝到散熱器上時(shí)，使它們之間有充分的接觸，從而降低模塊的接觸熱阻，模塊的出力。當(dāng)然采用熱線性膨脹系數(shù)很接近DBC板的AlSic底板替代銅底板將很好解決這一問題。
2)DBC基板：它是在高溫和一定氧氣氛下將氧化鋁(Al2O3)或氮化鋁(AlN)基片與銅箔直接雙面鍵合而成，它具有優(yōu)良的導(dǎo)熱性、絕緣性和易焊性，并有與硅材料較接近的熱線/℃)，因而可以與硅芯片直接焊接省去過渡層鉬片，從而簡(jiǎn)化模塊焊接工藝和降低熱阻。同時(shí)，DBC基板可按功率電單元要求，像PBC板一樣刻蝕出各式各樣的圖形，以用作電力半導(dǎo)體芯片的焊接襯底、模塊主電端子和控制端子的焊接支架，它將銅底板和電力半導(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。此外，DBC板的固態(tài)銅簿層具有很高電導(dǎo)率和大的載流量，在相同載流下，0.3mm厚的銅簿線)電力半導(dǎo)體芯片：超快恢復(fù)二極管(FRED)和晶閘管(SCR)芯片的PN結(jié)都是玻璃鈍化，在模塊制作過程中在PN結(jié)上再涂有RTV硅橡膠，并灌封有彈性硅凝膠和環(huán)氧樹脂，這種多層使電力半導(dǎo)體器件芯片的性能穩(wěn)定可靠。半導(dǎo)體芯片直接焊在DBC基板上，而芯片正面都焊有經(jīng)表面處理的鉬片或直接用鋁絲鍵合到DBC板上作為主電極的引出線，而部分聯(lián)線是通過DBC板的刻蝕圖形來實(shí)現(xiàn)。根據(jù)三相整流橋電共陽(yáng)和共陰的聯(lián)結(jié)特點(diǎn)，F(xiàn)RED芯片采用三片是正燒(即芯片正面是陰極、是陽(yáng)極)和三片是反燒(即芯片正面是陽(yáng)極、是陰極)，并利用DBC基板的刻蝕圖形，形成三相整流橋的共陰和共陽(yáng)公共聯(lián)線，使焊接簡(jiǎn)化。同時(shí)，所有主電極的引出端子都焊在DBC基板上，這樣使聯(lián)線減少，模塊可靠性提高。
4)外殼：殼體采用抗壓、抗拉和絕緣強(qiáng)度高以及熱變溫度高的，并加有40%玻璃纖維的聚苯硫醚(PPS)注塑型材料組成，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，通過環(huán)氧樹脂的澆注固化工藝或環(huán)氧板的間隔，實(shí)現(xiàn)上下殼體的結(jié)構(gòu)聯(lián)結(jié)，以達(dá)到較高的防護(hù)強(qiáng)度和氣閉密封，并為主電極引出提供支撐。為了外殼成形時(shí)不形變，必須采取局部加厚和加強(qiáng)筋等措施，并盡可能使各處壁厚一致，以防在成型過程中由于不均勻的凝固和收縮，使厚壁處產(chǎn)生氣泡和變形，嚴(yán)重影響外殼質(zhì)量。
三相FRED整流橋開關(guān)模塊主要用于由大功率高頻開關(guān)器件(IGBT、功率MOSFET、IGCT等)制成的，帶中間直流環(huán)節(jié)的變頻裝置內(nèi)，如VVVF變頻器、UPS、大功率SMPS、高頻逆變焊機(jī)、伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)放大器和高頻加熱裝置等逆變裝置內(nèi)。圖3和4分別示出了VVVF變頻器和高頻逆變焊機(jī)的電原理圖。
用“三相FRED整流橋開關(guān)模塊”替代分立的“三相普通整流橋模塊”和機(jī)械接觸器，就可達(dá)到以下的功效：
(1)在變頻電中，由于開關(guān)器件(IGBT、功率MOSFET、IGCT等)和FRED的高速開關(guān)，就產(chǎn)生高的di/dt和dv/dt，結(jié)合電的寄生電感和電容，使之產(chǎn)生大量的電磁干擾(Electromagnetic Interference ,EMI),這樣使變頻裝置的輸入端產(chǎn)生較大的共模干擾和差模干擾，從而產(chǎn)生諧波和波形嚴(yán)重失真。用FRED替代普通整流二極管(SR)后，由于FRED的反向恢復(fù)時(shí)間Trr(納秒級(jí))比SR(微秒級(jí))的短得多，而同容量的FRED反向恢復(fù)電流IRM只有SR的1/2～1/3，如圖5所示，這樣在10KHZ∽200KHZ頻率范圍內(nèi)可降低EMI噪聲電平15分貝(db)[4]，因而使或消除EMI干擾的低通濾波器內(nèi)電感器和電容器尺寸縮小，成本降低，并減少變頻裝置對(duì)電網(wǎng)的污染，使其更能符合國(guó)內(nèi)外EMI標(biāo)準(zhǔn)的要求。當(dāng)然，目前FRED要比SR貴，但從總價(jià)以及對(duì)某些特殊應(yīng)用場(chǎng)合(如航天、航空、軍用以及要求空間的場(chǎng)合)以及變頻裝置更符合EMI標(biāo)準(zhǔn)要求的角度來說，采用三相FRED整流橋模塊常必要的。隨著FRED規(guī)模生產(chǎn)的發(fā)展，成品率的提高，其成本將大幅度降低，本模塊的應(yīng)用前景廣闊。
(2)用晶閘管替代機(jī)械接觸器，實(shí)現(xiàn)了電力半導(dǎo)體無觸點(diǎn)動(dòng)力開關(guān)的目的，避免了因接觸器帶電弧開關(guān)和潮濕或帶粉塵的影響使觸
