摘要：為了降低VVVF變頻器在開關(guān)頻率下工作所產(chǎn)生的EMI噪聲電平，實(shí)現(xiàn)用電力半導(dǎo)體動(dòng)力開關(guān)替代短接充電電阻的機(jī)械接觸器，以提高變頻器工作的穩(wěn)定性和可靠性，并用IGBT和FRED串接的制動(dòng)電路來實(shí)現(xiàn)變頻器發(fā)生故障時(shí),能將回饋能量消耗在制動(dòng)電阻上的目的。開發(fā)了一種用混合集成技術(shù)把由超快恢復(fù)二極管(FRED)組成的三相整流橋,晶閘管(SCR)動(dòng)力開關(guān)和IGBT與FRED串接的制動(dòng)器組成一個(gè)VVVF變頻器專用模塊(以下簡稱專用模塊)。檢測和實(shí)用表明，這種模塊能使變頻器降低EMI噪聲電平15分貝(dB)，并使變頻器裝置具有體積小、成本低、工作安全可靠。本文將簡要介紹這種模塊的組成、功能、設(shè)計(jì)、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、制作特點(diǎn)以及主要技術(shù)參數(shù)。
關(guān)鍵詞：混合集成技術(shù);AlN DBC基板;IGBT制動(dòng)器;FRED三相整流橋;
Abstract: In order to reduce the EMI noise level which a working VVVF inverter produces at high switching frequency, the substitution of power semiconductor switch for mechanical contactor which shorts the charging resistor is realized, so that the stabilization and reliability of VVVF inverter operation are increased. Using brake circuit which consists of the IGBT in series with FRED realizes the return energy consumed on brake resistor, when the short circuit accident of VVVF inverter happens .We have developed a special module for VVVF inverter which is made of a 3-phase Fast Recover Epitaxial Diode (FRED) rectifier bridge, a power thyristor and a brake circuit from IGBT in series with FRED. The using of and testing to this kind of module confirm that it can reduce the EMI noise level of VVVF inverter 15db. This inverter equipment has the features of small volume and low cost,It is safe and operates reliably. The composition , the function, the design,the inner construction,the features of manufacture and the main technical parameters of this special module are briefly introduced.
Key words: Hybrid integrated technique; AlN DBC substrate; IGBT brake; 3-phase FRED rectifier bridge;
1 引言
硬件結(jié)構(gòu)模塊化是當(dāng)今電力電子技術(shù)發(fā)展方向之一，模塊化結(jié)構(gòu)有利于提高裝置的密集性、效率和可靠性，同時(shí)也可縮短產(chǎn)品進(jìn)入市場的周期，降低生產(chǎn)成本，提高企業(yè)在市場中的競爭力。
專用模塊主要用于由大功率開關(guān)器件(IGBT,功率MOSFET,IGCT等)制成的帶直流環(huán)的VVVF變頻器。目前VVVF變頻器大都采用由普通整流二極管(SD)組成的三相整流橋模塊向逆變電路提供直流電源，用機(jī)械接觸器來短接充電限流電阻，并用分立的IGBT動(dòng)力開關(guān)來完成裝置的制動(dòng)功能如圖1所示：
采用這些分立部件的VVVF變頻器具有EMI噪聲電平高，機(jī)械接觸器的觸點(diǎn)因帶弧頻繁開關(guān)或因帶粉塵和潮濕環(huán)境的影響而使觸頭經(jīng)常損壞，致使變頻裝置工作的可靠性和穩(wěn)定性降低，壽命縮短。而若采用專用模塊，則三相整流橋由普通SD改用FRED，機(jī)械接觸器改用SCR半導(dǎo)體動(dòng)力開關(guān)以及采用由FRED與IGBT串接的制動(dòng)開關(guān)后，可使VVVF變頻器的EMI噪聲電平降低15分貝(dB)，從而大大降低EMI低通濾波器的電感和電容量及其尺寸，從而縮小濾波器的體積，降低成本。又因?qū)崿F(xiàn)了SCR動(dòng)力開關(guān)，使短接充電電阻的開關(guān)壽命幾乎達(dá)到永久性水平。同時(shí)利用IGBT制動(dòng)開關(guān)可實(shí)現(xiàn)當(dāng)變頻器短路或逆變失敗時(shí)，利用觸發(fā)IGBT，能將儲(chǔ)藏在逆變電路中的回饋能量消耗在制動(dòng)電阻上，從而使VVVF變頻器能夠很快恢復(fù)到工作狀態(tài)。
2 專用模塊的組成及其功能
2.1 專用模塊的組成
專用模塊是由七個(gè)反向恢復(fù)時(shí)間(trr)為納秒級(jí)的FRED芯片、一個(gè)高電壓、大電流的IGBT芯片和一個(gè)高壓、大功率SCR芯片按一定電路連接后，共同封裝在一個(gè)PPS加40%玻璃纖維的工程塑料外殼內(nèi)制成，并采用RTV、環(huán)氧樹脂、硅凝膠等三重密封保護(hù)，大大提高了模塊的密封性，從而提高其工作的穩(wěn)定性和可靠性。專用模塊中的六個(gè)FRED芯片連成一個(gè)三相整流橋，一個(gè)IGBT芯片和一個(gè)FRED芯片串聯(lián)成一個(gè)制動(dòng)器，而一個(gè)SCR芯片串聯(lián)在三相整流橋的正輸出端作為動(dòng)力開關(guān)，模塊內(nèi)部電聯(lián)接圖如圖2所示：
2.2 模塊的功能
2.2.1 用專用模塊替代分立的SR三相整流橋模塊、機(jī)械接觸器和分立的IGBT開關(guān)后，使之具有體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊、可靠性高、外接線簡單、互換性好、便于維修和安裝等特點(diǎn)。由于電路連線已在模塊內(nèi)完成，并采用與PCB板一樣能刻蝕出各種圖形結(jié)構(gòu)的AlN DBC覆銅板，因此大大縮短了模塊內(nèi)元器件之間的連線，并減少連線數(shù)，使裝置電路的寄生電感和寄生電容值大大降低，有利于實(shí)現(xiàn)裝置的高頻化。此外，由于專用模塊的各主電極端子、控制極端子和輔助接線端子與模塊銅底板之間具有大于2.5kV以上的有效值絕緣耐壓VISO，使之能與裝置內(nèi)其它各種模塊(如IGBT模塊、功率MOSFET模塊、FRED模塊等)共同安裝在同一接地的散熱器上，有利于裝置體積的進(jìn)一步縮小，簡化裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，這特別適用于對(duì)空間要求十分嚴(yán)格的軍事、航天、航空等領(lǐng)域的應(yīng)用，并達(dá)到節(jié)材節(jié)電的目的。
2.2.2 由于EMI低通濾波器內(nèi)存在電容器，致使三相整流橋的輸入電壓變得非�！坝病�，在此情況下，當(dāng)三相整流橋內(nèi)的整流二極管電流從一個(gè)整流二極管支路換相到另一個(gè)整流二極管支路時(shí)，在整流二極管重新恢復(fù)反向阻斷能力之前，有一個(gè)很短的猶如短路狀況的時(shí)間間隔，此時(shí)將產(chǎn)生一個(gè)較高的di/dt電平和反向恢復(fù)峰值電流(IRM)，而IRM又取決于di/dt值，并隨di/dt的增高而增大。此外，由于變頻器內(nèi)開關(guān)器件(IGBT、功率MOSFET、IGCT)和FRED的高速通斷轉(zhuǎn)換，使之產(chǎn)生高的di/dt和dv/dt，結(jié)合電路的寄生電感和電容，使之產(chǎn)生大量的電磁干擾(EMI)，使變頻裝置的輸入端產(chǎn)生較大的共模干擾和差模干擾，從而產(chǎn)生諧波和波形嚴(yán)重失真。當(dāng)采用反向恢復(fù)時(shí)間(trr)短(納秒級(jí))和反向恢復(fù)峰值電流小的FRED替代SD后，就可完全消除這種影響。對(duì)裝置的EMI檢測表明，當(dāng)逆變器的頻率在10～200kHz范圍內(nèi)，可使EMI噪聲電平降低15分貝(dB)，若采用trr在1微妙左右的快恢復(fù)二極管(FRD)時(shí)，則可降低EMI噪聲電平10分貝(dB)〔1〕，從而可降低濾波器的電感和電容值，并縮小它們的外形尺寸，因而減少成本，并降低變頻裝置對(duì)電網(wǎng)及周邊設(shè)備的污染和干擾。圖3示出了同容量FRED(a)和SD(b)的反向恢復(fù)峰值電流波形的比較。由圖可見，trr(a)比trr(b)短得多，而同容量FRED的IRM約為SD的 左右，這就大大有利于整流橋內(nèi)整流二極管快速重新恢復(fù)反向阻斷能力和因IRM的減小而降低di/dt值，有利于EMI噪聲電平的降低。
2.2.3 用SCR替代機(jī)械接觸器，實(shí)現(xiàn)了無觸點(diǎn)的電力半導(dǎo)體動(dòng)力開關(guān)的目的，避免了因帶弧開關(guān)和潮濕、粉塵等環(huán)境條件的影響，使機(jī)械接觸器的觸頭經(jīng)常損壞的現(xiàn)象，因而提高了裝置的工作穩(wěn)定性和可靠性，延長裝置的壽命。
2.2.4 用不可控三相整流橋向變頻器的逆變電路供電時(shí)，不能實(shí)現(xiàn)功率的雙向傳輸，也無法實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)快速和頻繁的制動(dòng)要求，更不能實(shí)現(xiàn)當(dāng)變頻器短路或逆變失敗時(shí)，將儲(chǔ)存在逆變電路中的能量立即饋送到交流工頻電網(wǎng)的要求，為此采用IGBT與FRED串聯(lián)電路作為動(dòng)力制動(dòng)單元，實(shí)現(xiàn)了將回饋能量耗散在制動(dòng)電阻上的目的。
3 專用模塊的工藝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其特點(diǎn)
在模塊的設(shè)計(jì)和制作過程中，將涉及到電力半導(dǎo)體芯片的焊接、封裝和布線連結(jié)、熱傳導(dǎo)、材料應(yīng)力、電磁干擾、氣密性等多項(xiàng)工藝設(shè)計(jì)技術(shù)問題，圖4示出了模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)連線示意圖：
根據(jù)圖4的要求，設(shè)計(jì)出AlN DBC基板上的印刷電路圖形，刻蝕出電力半導(dǎo)體芯片和各種引出電極的焊接位置以及銅導(dǎo)線的寬度、長度、形狀、尺寸和走向，并確定DBC板的大小和數(shù)量。其特點(diǎn)如圖5所示：
3.1 根據(jù)三相整流橋共陰和共陽連線的情況，利用FRED正燒(陰極在上，陽極在下)和反燒(陽極在上，陰極在下)的結(jié)構(gòu)，在DBC板上刻蝕出共陽線CA和共陰線CC，將正燒的FRED1、FRED2和FRED3焊在CA線上，將反燒的FRED4、FRED5和FRED6焊在CC線上，從而減少了連線數(shù)，并簡化了工藝結(jié)構(gòu)，同時(shí)為了連線方便，F(xiàn)RED7亦采用反燒結(jié)構(gòu)。
3.2 銅底板為AlN DBC基板提供了聯(lián)結(jié)支撐和導(dǎo)熱通道，是整個(gè)模塊結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)。但由于銅底板的熱線性膨脹系數(shù)為16.7×10-7/℃，而AlN DBC 板為5.1×10-6/℃，相差較大，當(dāng)過大面積的DBC板與銅底板間相互高溫焊接后，將產(chǎn)生巨大應(yīng)力，為了減少此應(yīng)力，將AlN DBC 分成DBC1和DBC2兩塊，并用CB7和CB8銅橋相連。同時(shí)，在焊接前對(duì)銅底板進(jìn)行一定弧度的預(yù)彎，以便成品模塊在壓裝到散熱器上時(shí)，使兩者之間獲得充分的接觸，從而降低模塊的接觸熱阻，保證模塊的出力。當(dāng)然，采用熱線性膨脹系數(shù)很接近AlN DBC板且可焊性很高的AlSiC底板替代銅底板，不僅將提高焊接疲勞壽命，還能很好地解決應(yīng)力問題。
3.3 模塊內(nèi)部的電氣聯(lián)接為：一是采用DBC基板上印刷電路圖形進(jìn)行各元器件和各種電極引出線之間電氣聯(lián)接，二是所有電力半導(dǎo)體器件的芯片、主電極、控制電極和輔助電極直接焊在DBC基板上所刻蝕出的規(guī)定圖形位置上，其余就是采用鋁絲超聲鍵合連接(見圖5內(nèi)紅線)。但因鋁絲鍵合點(diǎn)的牢固與否，往往在模塊使用過程中因溫度變化而引起脫落，造成芯片損壞。為了避免這一現(xiàn)象的發(fā)生，一方面采取了按鋁絲直徑大小調(diào)整好鍵合功率、鍵合壓力和鍵合時(shí)間之間的最佳匹配，采用雜質(zhì)含量少的高質(zhì)量鋁絲和加強(qiáng)DBC板清洗工藝等措施外，還采用了功率器件芯片用上鉬片過渡方法，即鉬片一面蒸發(fā)上一層鋁，而另一面與功率器件芯片相焊，如圖6所示。在這種結(jié)構(gòu)下，由于硅與鉬的熱線性膨脹系數(shù)很接近，幾乎沒有失配，由此因熱膨脹產(chǎn)生的應(yīng)力只在鉬與鋁之間的界面發(fā)生，因而大大降低鍵合處的應(yīng)力，提高了鋁絲與功率器件芯片和DBC板之間的鍵合力和鍵合點(diǎn)的牢固性，有利于模塊的穩(wěn)定可靠工作。
4 模塊的結(jié)構(gòu)及制作工藝技術(shù)
4.1 模塊的結(jié)構(gòu)‘
圖7示出了模塊外形結(jié)構(gòu)示意圖和A-A剖面示意圖，其主要功效為：
4.1.1 塑料外殼及支撐板是模塊封裝的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件，它主要起密封及主電極的支撐作用。本專用模塊的外殼采用絕緣強(qiáng)度高、熱變強(qiáng)度高且加有40%玻璃纖維的PPS注塑型材料，它能夠解決與銅底板和主電極之間的熱脹冷縮的匹配問題，它與環(huán)氧樹脂板結(jié)合能實(shí)現(xiàn)上下殼體的結(jié)構(gòu)聯(lián)結(jié)，并為主電極的引出線提供支撐。
4.1.2 模塊結(jié)構(gòu)采用三重保護(hù)技術(shù)，即模塊內(nèi)所使用的各種電力半導(dǎo)體芯片，均采用玻璃鈍化保護(hù)的方形芯片，在模塊制作過程中，在玻璃鈍化層上再涂覆RTV硅橡膠，灌封絕緣性能好、粘接力強(qiáng)、有彈性的硅凝膠以及環(huán)氧樹脂板，這種多層保護(hù)能達(dá)到較高強(qiáng)度和氣閉密封，極大地滿足了所有硅芯片的絕緣、防潮和導(dǎo)熱的要求，使電力半導(dǎo)體芯片性能穩(wěn)定可靠。
4.1.3 AlN DBC基板是在高溫和氧氣氛下將銅箔和AlN陶瓷片雙面鍵合而成，它具有高的絕緣強(qiáng)度、優(yōu)良的熱導(dǎo)性、穩(wěn)定的機(jī)械性能、良好的熱循環(huán)穩(wěn)定性和優(yōu)異的可焊性。它的熱膨脹系數(shù) (AlN DBC板為5.1×10-6/℃)很接近硅(4.2×10-6/℃)，因而可與硅芯片直接焊接，從而省略了過渡層鉬片，它可像PCB和MIS板一樣，刻蝕出各種圖形，作為元器件與電極之間的連線、硅芯片焊接襯底以及主電極和控制極的焊接支架，它與作為DBC板的聯(lián)結(jié)支撐和導(dǎo)熱通道的銅底板結(jié)合，已成為模塊結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)。本專用模塊采用淄博市臨淄銀河高技術(shù)開發(fā)有限公司生產(chǎn)的AlN DBC基板，獲得優(yōu)異的結(jié)果〔2〕。
4.1.4 當(dāng)專用模塊使用在VVVF變頻裝置上時(shí)，先在A(4)和+5接線柱上連接充電電阻，而在Br(9)和+5上連接制動(dòng)電阻，它們的數(shù)值將根據(jù)VVVF變頻器的功率不同而不同。
5 專用模塊的主要工藝技術(shù)及其技術(shù)參數(shù)
5.1 工藝技術(shù)
焊接工藝是制作電力半導(dǎo)體模塊的核心技術(shù)，目前存在著熱板焊接工藝、回流(隧道爐)焊接工藝、真空焊接工藝和真空加氣體保護(hù)焊接工藝，它們各有優(yōu)缺點(diǎn)，在選擇采用何種焊接工藝時(shí)，必須根據(jù)所采用的電力半導(dǎo)體芯片的情況、工廠的實(shí)際裝備條件以及綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)等來決定。本公司采用了二次焊接法來完成專用模塊的制作。1一次焊接是采用真空加氣體焊接的方法，用高于300℃的焊接溫度，把各種電力半導(dǎo)體芯片與AlN DBC基板焊在一起，采用升溫時(shí)通高純氮?dú)?N2)，恒溫時(shí)通高純氫氣(H2)的方法保護(hù)焊接件不被氧化，并去除氧化物，使焊接面具有良好浸潤性，然后用真空技術(shù)排除焊接面的氣泡，使焊接面具有良好的歐姆接觸，從而降低模塊的熱阻。2采用360C自動(dòng)鍵合機(jī)，將電力半導(dǎo)體器件芯片用鋁絲超聲鍵合在引出主電極、控制電極和輔助電極的AlN DBC板的圖形內(nèi)，如圖5紅線所示。3二次焊接是在通惰性氣體的熱板爐內(nèi)進(jìn)行，其焊接溫度應(yīng)低于一次焊接溫度，約為200℃左右，這是把一次焊接成的AlN DBC板半成品焊到銅底板上，并把各種主電極、控制電機(jī)以及輔助電極焊到AlN DBC板的相應(yīng)位置上(見圖5)。
5.2 主要技術(shù)參數(shù)
表1-1專用模塊的主要技術(shù)參數(shù)
