超快恢復(fù)二極管整流橋開關(guān)模塊結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)
FRED整流橋開關(guān)模塊是由六個(gè)超快恢復(fù)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(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(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(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(gè)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(jìn)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(duì)銅底板要進(jìn)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(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(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(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(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(hù), 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(hù)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(shí)現(xiàn)的。
根據(jù)三相整流橋電路共陽和共陰的連接特點(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(shí), 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(qiáng)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(shí)現(xiàn)上下殼體的結(jié)構(gòu)連接, 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。
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(jī)、伺服電機(jī)傳動(dòng)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(jī)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(duì)充電限流電阻進(jìn)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(shí)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(shí)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(shí)trr=ta+tb(ta-少數(shù)載流子在存儲(chǔ)時(shí)間, ta-少數(shù)載流子復(fù)合時(shí)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(shí)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(jì)算FRED的功耗和RC保護(hù)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(shí), 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(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(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(jì), 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(biāo)準(zhǔn)的要求。
此外, 在變頻器中, 對(duì)充電限流電阻下進(jìn)行短接的開關(guān), 目前一般都采用機(jī)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時(shí)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(jī)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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