电力半导体模块及其发展趋势
西安电力电子技术研究所
吴济钧
摘 要：回顾了电力半导体模块发展里程，介绍了我国研制成功并已生产的晶闸管模块的特点及其应用领域，阐述了IGBT模块的结构以及由智能模块(IPM)到用户专用功率模块(ASPM)和集成电力电子模块(IPEM)的发展过程，指出了电力半导体模块今后发展方向。
关键词：电力半导体模块 智能晶闸管模块 IGBT模块
Power
Semiconductor Module and its Developing
Tendency
Wu Jijiun
Abstract：The
developing history of power semiconductor
module is reviewed.The paper describes the
feature and the applicationdomain of intelligent
thyristor module which is developed by our
country and now is manufactured in China.
The construction of IGBT
module and the develoPing process from the
IPM to ASPM and IPEM is explained．The article
alsoindicates the developing derection of
power semiconductor module in the future．
Keywords：Power scmiconductor module，Intelligent
thyrlstor module，IGBT module．
中图分类号：TN303 文献标识码：A
文章编号：61-1249（2001）8-413-07
一、前言
电力电子技术主要是由电力半导体器件、电力变流技术和控制技术三部分组成，它主要利用电力半导体器件把电能(包括电压、电流、频率、相位和相数)从一种形式变换成另一种形式，亦即把电能从AC变成DC，DC变成AC，DC变成DC以及AC变成AC，满足用电设备的各种需要，以达到最佳利用电能的目的．但是在这种电能变换过程中，采用哪一种电力半导体器件能使变流装置的体积最小、重量最轻、变换效率最高、且电路简单、电能品质最好、价格便宜、操作安装方便，从而使变流系统最可靠呢?这是装置设计者长期以来首先要考虑和解决的重要问题，亦是器件设计者长期追求的目标。
电力半导体器件是电力电子技术的基础，是电力变流装置的心脏，它非但对电力变流装置的体积、重量、效率、性能以及可靠性等起到至关重要的作用，而且对装置的价格也起至帜良大影响。一种新型器件的诞生往往使整个装置系统面貌发生巨大改现，促进电力电子技术向前发展．自1957年世界上第一个晶闸管问世以来，经过40多年的开发和研究，已推出各种电力半导体器件近40种，目前正沿着高频化、智能化、大功率化和模块化方向发展，本文将简要介绍模块化发展趋势。
所谓模块，就是把二个或二个以上的电力半导体芯片按一定电路联成，并与辅助电路共同封装在一个绝缘的树脂外壳内而制成。
自上世纪七十年代Semkron．公司把模块原理引入电力电子技术领域以来[1]，由于模块外形尺寸和安装尺寸的标准化以及芯片间的连线已在模块内部联成，因而它与同容量的分立器件相比，具有体积小、重量轻、结构紧凑、可靠性高、外接线简单、互换性好、便于维修和安装、结构重复性好、装置的机械设计可简化、总价格(包括散热器)比分立器件低等优点，又因模块化是使电力电子装置的效率、重量、体积、可靠性、价格等技术经济指标进一步改善和提高的重要措施，因此，一开始就受到世界各国电力半导体器件公司的高度重视，投入大量人力和财力，开发出各种内部电联接形式的电力半导体模块，如晶闸管、整流二极管、双向晶闸管、逆导晶闸管、光控晶闸管、可关断晶闸管、电力晶闸管GTR、MOS可控晶闸管MCT、功率MOSFET以及绝缘栅双极型晶体管IGBT等模块，使模块技术得以蓬勃发展。
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晶闸管和整流二极管模块
晶闸管和整流二极管模块始于上世纪70年代初，起初是中小功率晶闸管（电压≤1000V,电流≤100A）模块，之后，随着模块制造工艺的成熟以及制造模块的相应辅助材料的研发成功，使晶闸管模块的容量增大，品种增多，目前晶闸管模块水平已达1000A／1600V。图1是晶闸管、整流二极管桥臂模块和电桥模块内部电联接图，图中单相和三相电桥模块可带续流二极管，亦可不带续流二极管，因此图中续流二极管用虚线连接表示。模块一般有二种型式，即绝缘隔离型和非绝缘隔离型，前者芯片与铜底板之间的绝缘耐压高达2.5kV有效值以上，应用对比较灵活，装置设计者可以把一个或多个桥臂模块安装在同一接地的散热器上，联成各种标难的单相或三相全控、半控整流等桥式电路、交流开关或其它各种实用电路，从而大大简化了电路结构，缩小装置体积。后者应有公共阳极和阴极才能使用，因而在使用中有很大局限性，发展较慢。模块结构按管芯组装工艺和固定方法不同可分为：普通焊接结构，压接式结构和DCB键合结构三种。它们各有各的优缺点，普通焊接结构工艺简单，零部件少，因而成本低，但由于焊料的热疲劳，重复功率循环，使模块容易造成现场失效。压接式结构，虽然解决了热疲劳问题，但由于它结构复杂，零部件多，因而成本高。
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