超快恢復二極管整流橋開(kāi)關(guān)模塊詳解-KIA MOS管
信息來(lái)源：本站 日期：2021-06-21
FRED整流橋開(kāi)關(guān)模塊是由六個(gè)超快恢復二極管芯片和一個(gè)大功率高壓晶閘管芯片按一定電路連成后共同封裝在一個(gè)PPS(加有40%玻璃纖維)外殼內制成, 模塊內部的電聯(lián)接方式如圖1所示。
圖中VD1~VD6為六個(gè)芯片, 相互聯(lián)成三相整流橋、晶閘管串接在電橋的正輸出端上。圖2示出了模塊外形結構示意圖, 現將圖中的主要結構件的功能分述如下:
1)銅基導熱底板:其功能為陶瓷覆銅板(DBC基板)提供聯(lián)結支撐和導熱通道, 并作為整個(gè)模塊的結構基礎。因此, 它必須具有高導熱性和易焊性。
由于它要與DBC基板進(jìn)行高溫焊接, 又因它們之間熱線(xiàn)性膨脹系數(銅為16.7×10-6/℃, DCB約不5.6×10-6/℃)相差較大, 為此, 除需采用摻磷、鎂的銅銀合金外, 并在焊接前對銅底板要進(jìn)行一定弧度的預彎,
這種存在一定弧度的焊成品, 能在模塊裝置到散熱器上時(shí), 使它們之間有充分的接觸, 從而降低模塊的接觸熱阻, 保證模塊的出力。
2)DCB基板:它是在高溫下將氧化鋁(A12O3)或氮化鋁(A1N)基片與銅箔直接雙面鍵合而成, 它具有優(yōu)良的導熱性、絕緣性和易焊性, 并有與硅材料較接近的熱線(xiàn)性膨脹系數(硅為4.2×10-6/℃ , DCB為5.6×10-6/℃), 因而可以與硅芯片直接焊接, 從而簡(jiǎn)化模塊焊接工藝和降低熱阻。
同時(shí), DBC基板可按功率電路單元要求刻蝕出各式各樣的圖形, 以用作主電路端子和控制端子的焊接支架, 并將銅底板和電力半導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。
3)電力半導體芯片超快恢復二極管(FRED)和晶閘管(SCR)芯片的PN結是玻璃鈍化保護, 并在模塊制作過(guò)程中再涂有RTV硅橡膠, 并灌封有彈性硅凝膠和環(huán)氧樹(shù)脂, 這種多層保護使電力半導體器件芯片的性能穩定可靠。
半導體芯片直接焊在DBC基板上, 而芯片正面都焊有經(jīng)表面處理的鑰片或直接用鋁絲鍵合作為主電極的引出線(xiàn), 而部分連線(xiàn)是通過(guò)DCB板的刻蝕圖形來(lái)實(shí)現的。
根據三相整流橋電路共陽(yáng)和共陰的連接特點(diǎn), FRED芯片采用三片是正燒即芯片正面是陰極、反面是陽(yáng)極和三片是反燒即芯片正面是陽(yáng)極、反面是陰極, 并利用DCB基板的刻蝕圖形, 使焊接簡(jiǎn)化。
同時(shí), 所有主電極的引出端子都焊在DCB基板上, 這樣使連線(xiàn)減少, 模塊可靠性提高。
4)外殼殼體采用抗壓、抗拉和絕緣強度高以及熱變溫度高的, 并加40%有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(wèn)題, 通過(guò)環(huán)氧樹(shù)脂的澆注固化工藝或環(huán)氧板的間隔, 實(shí)現上下殼體的結構連接, 以達到較高的防護強度和氣閉密封, 并為主電極引出提供支撐。
大功率高頻開(kāi)關(guān)器件(IGBT、功率MOSFET、IGCT等)已廣泛用于VVVF、UPS、SMPS、逆變焊機、伺服電機傳動(dòng)放大器等具有直流環(huán)的逆變裝置內。圖3和4分別示出了VVVF變頻器和高頻逆變焊機的電原理圖。
目前, 圖中的VD1~VD6均采用普通整流二極管, R為充電限流電阻, K為接觸器, 其作用是對充電限流電阻進(jìn)行短接。
由于高的開(kāi)關(guān)頻率, 以及VD1~VD6的反向恢復峰值電流高和反向恢復時(shí)間較長(cháng), 因而產(chǎn)生諧波, 并使電流、電壓的波形嚴重畸變, 噪聲很高, 用超快恢復二極管(FRED)替代普通整流二極管作為逆變器的輸入整流器,
可使變頻器的噪聲降低到15dB, 這主要是由于FRED的關(guān)斷特性(低的反向恢復峰值電流和短的反向恢復時(shí)間)所決定。圖5給出了FRED導通和關(guān)斷期間的電流波形圖。
FRED的其主要反向關(guān)斷特性參數為:反向恢復時(shí)trr=ta+tb(ta-少數載流子在存儲時(shí)間, ta-少數載流子復合時(shí)間)；反向恢復峰值電流IRM；反向恢復電荷Qrr=1/2trr×IRM以及表示器件反向恢復曲線(xiàn)軟度的軟度因子S=tb/ta。
而FRED的正向導通主要參數有：正向平均電流IF(AV)；正向峰值電壓UFM；正向均方根電流IF(RMS)以及正向(不重復)浪涌電流IFSM。
FRED的反向陰斷特性參數為：反向重復峰值電壓URRM和反向重復峰值電流IRRM。
必須指出反向恢復時(shí)間trr隨著(zhù)結溫Tj的升高, 所加反向電壓URRM的增高以及流過(guò)的正向電流IF(AV)的增大而增長(cháng), 而主要用來(lái)計算FRED的功耗和RC保護電路的反向恢復峰值電流IRM和反向恢復電荷Qrr亦隨結溫Tj的升高而增大。
因此, 在選用由FRED組成的“三相FRED整流橋開(kāi)關(guān)模塊”時(shí), 必須充分考慮這些參數的測試條件, 以便作必要的調整。
這里值得提出的是目前的價(jià)格比普通整流二極管高, 但由于使用FRED使變頻器的噪音大幅度降低(降低達15dB), 這將直接影響到變頻器內EMI濾波電路的電容器和電感器的設計, 使它們的尺寸大大縮小和價(jià)格大幅度下降, 并使變頻器更能符合EMI標準的要求。
此外, 在變頻器中, 對充電限流電阻下進(jìn)行短接的開(kāi)關(guān), 目前一般都采用機械接觸器, 但由于環(huán)境的影響, 特別是在濕度大或帶粉塵的環(huán)境下, 往往會(huì )使觸頭損壞, 另外接觸器接通和斷開(kāi)時(shí)產(chǎn)生電弧, 致使接觸器壽命縮短而損壞, 從而嚴重影響變頻器的穩定可靠工作。
為了解決上述存在的問(wèn)題, 采用FRED替代普通整流二極管，采用晶閘管替代機械接觸器, 制成如圖所示的“三相整流橋開(kāi)關(guān)模塊” , 這種模塊用于變頻器后, 能使變頻器性能大大提高、體積縮小、重量減輕、工作穩定可靠。
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