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FRED超快恢复二极管模块的工艺结构与应用技术

作者:海飞乐技术 时间:2016-12-21 17:29

1.前言
  20世纪80年代初,绝缘栅双极晶体管(IGBT)和功率M0S场效应管(P0WER M0SFET)的研制成功,并得到急剧发展和商业化,这不仅对电力电子逆变器向高频化发展提供了坚实的器件基础,同时,为用电设备高频化(20kHz以上)和高频设备固态化,为高效、节电、节材,实现机电体化,小型轻量化和智能化提供了重要的技术基础。与此同时,给IGBT,功率MOSFET等高频逆变装置配套的、且不可缺少的FRED也得到了很快的发展。因为,随着装置工作开关频率的提高,若没有FRED给高频逆变装置的开关器件作续流、吸收、箝位、隔离输出整流器和输入整流器。那么IGBT、功率MOSFET、IGCT等开关器件就不能发挥它们的功能和独特作用,这是由于FRED的关断特性参数(反向恢复时间trr、反向恢复电荷Qrr,反向峰值电流IRM)的作用所致,最佳合适参数的FRED与高频开关器件的协调工作。使高频逆变电路内因开关器件换相所引起的过电压尖峰,高频干扰电压以及EMI降至最底,使开关器件的功能得到充分发挥,FRED模块现已批量在大功率开关电源、高频逆变电焊机、高频逆变开关型电镀电源、高频快速充电器以及高频调速装置等场合使用,结果非常令人满意。本文将简要介绍该FRED模块的工艺结构,技术参数,应用场合以及选用时应注意的问题等供广大使用者参考。
 
  2.快恢复二极管模块工艺结构和特点

图1 超快恢复二极管模块内部电路连接图 
图1 超快恢复二极管模块内部电路连接图
  本模块是由二个或二个以上的FRED芯片按一定的电路(见图1)连成后共同封装在一个PPS(加有40%的玻璃纤维)外壳内制成,模块分绝缘型(模块铜底板对各主要电极的绝缘耐压Uiso≥2.5kv)和非绝缘型二种,其特点
  (1)采用高、低温氢(H2)、氮(N2)混合气体保护的隧道炉和热板炉二次焊接工艺,使焊接温度、焊接时间和传送带速度之间有最佳的匹配,并精确控制升温速度、恒温时同和冷却速度,使焊层牢固,几乎没有空洞,从而降低了模块热阻、保证模块出力,根据模块电流的大小,采用直接焊接或铝丝超声键合等方法引出电极,用RTV橡胶、及组份弹性硅凝胶和环氧树脂等三重保护,又加采用玻璃钝化保护的、不同结构的进口FRED芯片,使模块防潮、防震,工作稳定。
  (2)铜底板预弯技术:模块采用了高导热、高绝缘、机械强度高和易焊接,且热膨胀系数很接近硅芯片的氮化铝陶瓷覆铜板(ALNDBC板),使焊接后各材料內应力最低,热阻最小,并避免了芯片因应力而破裂。为了解决铜底板与DBC板间的焊接问题,除采用铜银合金外。并在焊接前对铜底板进行一定弧度的预弯。如图2(a),焊后如图2(b),这种铜底板尚存在一定弧度的焊成品,当模块压装在散热器上时,能保证它们之间的充分接触,有利于热传导,从而使模块的接触热阻大大降低,有利于模块的出力和可靠性。
  (3)由于FRED模块工作于高频(20kHZ以上),因此,必须在结构设计要充分考虑消除寄生电感等问题,为此,在电磁等原理基础上,充分考虑三个主电极形状、布局和走向,同时对键合铝丝长短和走向也作了合适安排。以减少模块内部的分布电感,确保二单元的分布电感一致,从而解决模块的噪音和发热问题,提高装置效率。
 
  3.主要技术参数
  图3是FRED模块导通和关断期间的电流和电压波形图,它显示了FRED器件从正向导通到反向恢复的全过程。其主要关断特性参数为:反向恢复时间trr=ta+tb(ta为少数载流子存储时间,tb为少数载流子复合时间);软度因子S=(表示器件反向恢复曲线的软度);反向恢复峰值电流:反向恢复峰值电流计算方程;反向恢复电荷FRDE模块反向恢复电荷计算方程式。而导通参数为:反向重复峰值电压URRM.;正向平均电流IF(AV);正向峰值电压UFM;正向均方根电流IF(RMS)和正向最大浪涌电流IFSM等。
图2 (a)预弯后的铜底板  (b)铜底板与DBC基板焊接后的合格品 
图2 (a)预弯后的铜底板  (b)铜底板与DBC基板焊接后的合格品
图3 FRED导通和关断期间的电流和电压波形图 
图3 FRED导通和关断期间的电流和电压波形图
  这里需要注意的是:trr随所加反向电压UR的增加而增加,例如600V的FRED,在实际应用时,用到30V时,则trr约为35ns,而用到350V时,trr》35ns,trr还随着结湿上升而增加,Tj=125℃时的trr,约为25℃时的2倍左右。同时,trr还随着流过正向峰值电流IFM的増加而增加。IRM和Qrr主要是用来计算FRED的功耗和RC电路,但他们亦随结温的升高而増大。125℃结温时的Qrr是25℃时的约1.5倍、而125℃结温时的Qrr是25℃时的近3倍以上。因此,在选用FRED时必须充分虑这些参数的测试条件、以便作必要的调整。因此,trr短,IRM小和S大的FRED模块是逆变电路中的最佳二极管,而trr短和Qrr小的FRED,使逆变电路中的开关器件和二极管的损耗减少。
  FRED 150A~1200V的外型尺寸见图4 。
图4 FRED的外型尺寸 
图4 FRED的外型尺寸
 
  4.快恢复二极管模块应用
  随着电力电子技术向高频化、模块化方向发展,FRED作为一种高频器件也得到蓬勃发展,现已广泛用于各种高频逆变装置和斩波调速装置内,起到高频整流、续流、吸收、隔离和箝位的作用,这对发展我国高频逆变焊机、高频开关型电镀电源、高频高效开关电源、高频快速充电电源、高频变频装置以及功率因数校正装置等将起到推动作用。这些高效、节能、节电和节材,并能提高产品质量和劳动生产率的高频逆变装置将逐步替代目前我国正在大量生产、体积庞大、效率低和对电网污染严重的晶闸管工频电源,对加速我国电力电子产品的更新换代周期将起到决定性作用。现以高频逆变焊机和高频逆变开关型电镀整流装置为例,说明FRED的应用情况。
  (1))FRED模块在高频逆变焊机内使用情况
  图5是高频逆变焊机的方框图。FRED模块主要用于输出整流器环节和IGBT逆变器内。为了降低高频逆变器内由于高的开关频率所产生的谐波和波形畸变,缩小EMI滤波器的电容器和电感器的尺寸、有时,输入桥式整流器亦采用FRED模块,当然采用FRED替代普通整流管作输入三相整流桥,价格将比普通整流桥贵,但有些应用领域还是需要的,特别是利用FRED整流桥还可降低装置噪音15db,降低
EMI滤波器电容器和电感器的尺寸和价格。采用比、逆变焊机重量约为工频的25%,节电40%,节材(钢和矽钢片)约70%左右。
图5 高频逆变焊机的方框图 
图5 高频逆变焊机的方框图
 
  (2)FRED模块在高频开关型电镀电源内使用情况
  图6是高频开关型电镀整流装置方框图。FRED模块主要用于谐振软开关逆变器和高频整流器环节,其开关频率为50kHz,体积是晶闸管工频电镀装置的1/10,重量是晶闸管工频装置的1/25,大量节省了铜和矽钢片材料,节电约355。此外、它与工频晶闸管电镀装置相比、还只有调节响应速度极快、对电网干扰小,且易消除、而且电镀结晶细致、质量高、节约镀层金属、提高镀覆速度等优点。
图6 高频开关型电镀整流装置方框图 
图6 高频开关型电镀整流装置方框图
  5结束语
  目前,超快恢复二极管模块已广泛用于高频电力电子电路,已成为主要高频器件之一,它的使用技术比较成熟,FRED模块已在高频逆变焊机,大功率开关电源,高频逆变型电镀电源,高频快速充电器以及高频调速装置等场合批量使用。使整机的机械结构紧凑、简化、体积缩小、重量减轻、节电、节材、可靠性提高,FRED模块已成为高频逆变电路和斩波电路不可缺少的关健配套器件,随着我国政府节能政策的进一步落实,FRED模块必将获得更大的发展。
 




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