超快恢復(fù)二極管整流橋開關(guān)模塊結(jié)構(gòu)及特點
FRED整流橋開關(guān)模塊是由六個超快恢復(fù)二極管芯片和一個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VD1~VD6為六個芯片, 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(jié)構(gòu)示意圖, 現(xiàn)將圖中的主要結(jié)構(gòu)件的功能分述如下:
1)銅基導(dǎo)熱底板:其功能為陶瓷覆銅板(DBC基板)提供聯(lián)結(jié)支撐和導(dǎo)熱通道, 并作為整個模塊的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。因此, 它必須具有高導(dǎo)熱性和易焊性。
由于它要與DBC基板進行高溫焊接, 又因它們之間熱線性膨脹系數(shù)(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行一定弧度的預(yù)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, 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(dǎo)熱性、絕緣性和易焊性, 并有與硅材料較接近的熱線性膨脹系數(shù)(硅為4.2×10-6/℃ , DCB為5.6×10-6/℃), 因而可以與硅芯片直接焊接, 從而簡化模塊焊接工藝和降低熱阻。
同時, 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(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。
3)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)是玻璃鈍化保護, 并在模塊制作過程中再涂有RTV硅橡膠, 并灌封有彈性硅凝膠和環(huán)氧樹脂, 這種多層保護使電力半導(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)表面處理的鑰片或直接用鋁絲鍵合作為主電極的引出線, 而部分連線是通過DCB板的刻蝕圖形來實現(xiàn)的。
根據(jù)三相整流橋電路共陽和共陰的連接特點, FRED芯片采用三片是正燒即芯片正面是陰極、反面是陽極和三片是反燒即芯片正面是陽極、反面是陰極, 并利用DCB基板的刻蝕圖形, 使焊接簡化。
同時, 所有主電極的引出端子都焊在DCB基板上, 這樣使連線減少, 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題, 通過環(huán)氧樹脂的澆注固化工藝或環(huán)氧板的間隔, 實現(xiàn)上下殼體的結(jié)構(gòu)連接, 以達(dá)到較高的防護強度和氣閉密封, 并為主電極引出提供支撐。
超快恢復(fù)二極管整流橋開關(guān)模塊應(yīng)用
大功率高頻開關(guān)器件(IGBT、功率MOSFET、IGCT等)已廣泛用于VVVF、UPS、SMPS、逆變焊機、伺服電機傳動放大器等具有直流環(huán)的逆變裝置內(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行短接。
由于高的開關(guān)頻率, 以及VD1~VD6的反向恢復(fù)峰值電流高和反向恢復(fù)時間較長, 因而產(chǎn)生諧波, 并使電流、電壓的波形嚴(yán)重畸變, 噪聲很高, 用超快恢復(fù)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(fù)峰值電流和短的反向恢復(fù)時間)所決定。圖5給出了FRED導(dǎo)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(shù)為:反向恢復(fù)時trr=ta+tb(ta-少數(shù)載流子在存儲時間, ta-少數(shù)載流子復(fù)合時間)；反向恢復(fù)峰值電流IRM；反向恢復(fù)電荷Qrr=1/2trr×IRM以及表示器件反向恢復(fù)曲線軟度的軟度因子S=tb/ta。
而FRED的正向?qū)ㄖ饕獏?shù)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(fù))浪涌電流IFSM。
FRED的反向陰斷特性參數(shù)為：反向重復(fù)峰值電壓URRM和反向重復(fù)峰值電流IRRM。
必須指出反向恢復(fù)時間trr隨著結(jié)溫Tj的升高, 所加反向電壓URRM的增高以及流過的正向電流IF(AV)的增大而增長, 而主要用來計算FRED的功耗和RC保護電路的反向恢復(fù)峰值電流IRM和反向恢復(fù)電荷Qrr亦隨結(jié)溫Tj的升高而增大。
因此, 在選用由FRED組成的“三相FRED整流橋開關(guān)模塊”時, 必須充分考慮這些參數(shù)的測試條件, 以便作必要的調(diào)整。
這里值得提出的是目前的價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(dá)15dB), 這將直接影響到變頻器內(nèi)EMI濾波電路的電容器和電感器的設(shè)計, 使它們的尺寸大大縮小和價格大幅度下降, 并使變頻器更能符合EMI標(biāo)準(zhǔn)的要求。
此外, 在變頻器中, 對充電限流電阻下進行短接的開關(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, 往往會使觸頭損壞, 另外接觸器接通和斷開時產(chǎn)生電弧, 致使接觸器壽命縮短而損壞, 從而嚴(yán)重影響變頻器的穩(wěn)定可靠工作。
為了解決上述存在的問題, 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(wěn)定可靠。
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