混合集成技術(shù)在電源中的應(yīng)用

摘  要： 本文針對電源技術(shù)領(lǐng)域，以混合集成技術(shù)為主，闡述了電力電子集成技術(shù)的基本概念、基本原理和面臨的主要技術(shù)問題。并對該領(lǐng)域國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和主要研究內(nèi)容進(jìn)行了介紹。
電力電子集成概念的提出有10余年的歷史，早期的思路是單片集成，體現(xiàn)了系統(tǒng)芯片(SOC)的概念，即將主電路、驅(qū)動、保護(hù)和控制電路等全部集成在同一個硅片上。由于高壓、大電流的主電路元件和其他低壓、小電流電路元件的制造工藝差別較大，還有高壓隔離和傳熱的問題，故單片集成難度很大，目前僅在小功率范圍有所應(yīng)用。而在中大功率范圍內(nèi)，只能采用混合集成的辦法，將多個不同工藝的器件裸片封裝在一個模塊內(nèi)，現(xiàn)在廣泛使用的電力電子功率模塊和智能功率模塊(Intelligent Power Module-IPM)都體現(xiàn)了這種思想。1997年前后美國政府、軍方及電力電子技術(shù)領(lǐng)域一些著名學(xué)者共同提出電力電子積木(Power Electronic Building Block-PEBB)的概念，明確了集成化這一電力電子技術(shù)未來的發(fā)展方向，并將電力電子集成技術(shù)的研究推向高潮。

電力電子集成技術(shù)的基本概念
電源的集成化
常見的電源裝置，包括直流電源和交流電源，通常構(gòu)成如圖2所示。
其中控制、人機(jī)界面、通信接口電路已逐步實(shí)現(xiàn)數(shù)字化，從而可以比較容易的實(shí)現(xiàn)集成化，而驅(qū)動電路和保護(hù)電路含有較多模擬電路，集成度相對較低。主電路包含開關(guān)元件、變壓器、電感等磁性元件以及電容、電阻等元件，集成的難度很大。目前，電源裝置中的主電路基本上以分立元件構(gòu)成為主，在中小功率范圍有采用單片集成元件，如TOPSwitch，或某些混合集成模塊，但離全面的集成化還有很大距離。
集成化的基本思想是通過封裝的手段，將主電路的部分元件和驅(qū)動、保護(hù)、控制甚至人機(jī)界面和通信接口電路都集成到一個或幾個模塊內(nèi)，實(shí)現(xiàn)電源裝置的全面集成化。
為什么要集成化
采用集成技術(shù)主要可以解決以下幾個方面的問題：
?簡化設(shè)計
對電力電子技術(shù)掌握得并不十分熟練與深入的應(yīng)用工程人員來說，他們可以專注于解決與具體應(yīng)用有關(guān)的問題，通俗的講，他們只需要將集成模塊象積木一樣拼接成系統(tǒng)即可。如果這一理想能夠?qū)崿F(xiàn)，可以預(yù)見，電力電子應(yīng)用范圍將進(jìn)入前所未有的廣度和寬度，足可以稱得上是一次革命。


圖 1 IR公司的FlipFET器件


圖2  電源的結(jié)構(gòu)


?簡化制造
大部分的元器件集成在模塊內(nèi)部，而標(biāo)準(zhǔn)化的集成模塊是以較高的自動化程度批量制造的。因此整個制造過程的自動化程度將會大大提高，制造周期縮短，成品率提高，而成本會降低。
?降低成本
勿庸置疑，集成模塊的設(shè)計需要花費(fèi)較多的人力和較長的設(shè)計周期，因此設(shè)計成本會較高，但具有通用性的集成模塊一旦被設(shè)計出來，就可以千百次的被重復(fù)應(yīng)用，分?jǐn)偟矫總€裝置和系統(tǒng)的設(shè)計成本很低。集成模塊可以批量生產(chǎn)，其制造成本也會降低。
?提高性能
小型化是集成技術(shù)帶來的最顯而易見的進(jìn)步，但還遠(yuǎn)不止與此。采用緊湊的互連和封裝，將使電路中的寄生電感等不利于電路工作的寄生參數(shù)顯著減小，從而降低電路的開關(guān)應(yīng)力和噪聲，使電路的可靠性大大提高。同時，開關(guān)噪聲的降低和電路的緊湊布局還將大大降低電路的電磁干擾，提高電磁兼容性。
集成所面臨的問題
雖然集成技術(shù)可以帶來諸多好處，但實(shí)現(xiàn)集成化所面臨的困難也是很大的。最主要的技術(shù)問題有：
?封裝與互連
在分立元件構(gòu)成的電路中，互連主要采用印刷電路和導(dǎo)線，而在集成模塊內(nèi)部，則較多采用微電子技術(shù)中的互連技術(shù)，如鋁絲壓焊、蒸鍍鋁膜等。但這些工藝多用于低壓、小電流的集成電路的互連和封裝，用于電力電子集成就存在電流承載能力不足、分布參數(shù)偏大、可靠性不夠高等問題。隨之而來的還有耐高電壓的絕緣材料，焊接材料等很多問題。由于集成模塊的制造是集成化的關(guān)鍵之所在，而高性能、高可靠性的封裝與互連技術(shù)又是制造集成模塊的前提，因此許多學(xué)者認(rèn)為封裝和互連技術(shù)是集成技術(shù)要解決的核心問題，是有一定道理的。目前已有的互連和封裝技術(shù)還不能令人滿意，因此有關(guān)的研究進(jìn)行的非常集中。


圖3 硬開關(guān)半橋型電路


圖4 軟開關(guān)不對稱半橋型電路


圖5  磁集成模塊的結(jié)構(gòu)


圖6  磁集成模塊的實(shí)例


?電磁兼容
電力電子裝置中主電路工作時會產(chǎn)生較強(qiáng)的電磁信號，可能對其驅(qū)動、控制和保護(hù)等信號處理電路產(chǎn)生干擾。在分立元件構(gòu)成的裝置中，主電路和控制電路的空間距離較大，這一問題表現(xiàn)得不是十分突出。在集成模塊中，二者的間距小于5~10mm，因此抑制相互間的干擾變得十分重要。這在電磁場分析、電磁兼容模型、電路設(shè)計等方面提出了新的挑戰(zhàn)。
?傳熱
與普通的集成電路相比，電力電子集成模塊的發(fā)熱量大2~3個數(shù)量級。與分立元件構(gòu)成的裝置相比，集成模塊熱集中的問題也要嚴(yán)重的多。并且在集成模塊內(nèi)部，發(fā)熱量較大的開關(guān)元件和發(fā)熱量很小的控制電路元件安裝距離很小，控制電路元件會被開關(guān)元件“加熱”。在狹小的空間內(nèi)，有效控制熱量的流動從而控制開關(guān)元件和控制電路元件合理的溫升，對模塊的可靠工作是非常重要的。
?可靠性與成品率
由于包含了控制電路，集成模塊內(nèi)的元件數(shù)將比現(xiàn)有功率模塊乃至IPM都多的多，而可靠性和制造的成品率是隨著元件數(shù)的增加而降低的?？煽啃詻Q定著模塊的可用性。成品率則在很大程度上決定了模塊的制造成本。因此能否提高可靠性和成品率，也是集成技術(shù)成敗的關(guān)鍵之一。
集成的方法
總的來說，電源裝置的集成可以分為3個不同的層次和形式：
?單片集成
單片集成難度很大，目前僅在小功率范圍有所應(yīng)用，如在集成電源管理IC中得到了廣泛的應(yīng)用。電源管理IC正向集成化程度更高和功能更完善方向發(fā)展，這大大方便和簡化了用戶的設(shè)計。隨著新型半導(dǎo)體材料和加工工藝的進(jìn)步，將來必然向較大的功率等級發(fā)展。
?混合集成
就是采用封裝的技術(shù)手段，將分別包含功率器件、驅(qū)動、保護(hù)和控制電路的多個硅片封入同一模塊中，形成具有部分或完整功能的、相對獨(dú)立的單元。這種集成方法可以較好的解決不同工藝的電路間的組合與高電壓隔離等問題，具有較高的集成度，也可以比較有效的減小體積和重量，但目前還存在分布參數(shù)、電磁兼容、傳熱等具有較高難度的技術(shù)問題，并且尚不能有效地降低成本，達(dá)到較高的可靠性，因此目前仍以中等功率應(yīng)用為主，并正在向大功率發(fā)展?；旌霞傻牡湫屠邮荌PM。在某種意義上，混合集成是在集成度與技術(shù)難度之間，根據(jù)當(dāng)前的技術(shù)水平所采取的一種折衷方案，具有較強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義，是目前電力電子集成技術(shù)的主流方式。
而對于中大功率電源來說，可以采用將開關(guān)元件和磁性元件分別封裝在不同的模塊中的方案。
?系統(tǒng)集成
也就是系統(tǒng)級的集成，這是目前在工程技術(shù)領(lǐng)域普遍采用的集成方案，其含義是將已有的實(shí)體經(jīng)過有機(jī)的組合及拼裝形成一個完整的系統(tǒng)，在電力電子技術(shù)領(lǐng)域，系統(tǒng)集成一般指將多個電路或裝置有機(jī)的組合成具有完整功能的電力電子系統(tǒng)，如通信電源系統(tǒng)等。系統(tǒng)集成是功能的集成，具有低的集成度和技術(shù)難度，容易實(shí)現(xiàn)，但由于集成度低，與獨(dú)立的裝置和電路相比，體積和重量都無法顯著降低，而且其構(gòu)成仍以分立的元器件為主，設(shè)計、制造都較復(fù)雜，不能明顯的體現(xiàn)集成的優(yōu)勢。目前，系統(tǒng)集成技術(shù)多用于功率很大、結(jié)構(gòu)和功能復(fù)雜的系統(tǒng)。
目前，國際電力電子學(xué)界所談?wù)摰募筛拍钜话阒竼纹珊突旌霞?，而很少包含系統(tǒng)集成這一層次。

國際電力電子集成技術(shù)的研究概況
電力電子集成模塊的電路
用于集成模塊內(nèi)的電路應(yīng)具有通用性，并應(yīng)具有結(jié)構(gòu)簡單、效率高、易于集成的特點(diǎn)。在眾多的電路中，圖3所示的兩個開關(guān)和兩個續(xù)流二極管構(gòu)成的半橋型電路可以用于構(gòu)成半橋、全橋、三相橋等多種電路，具有很好的通用性。配合一定的外部電路和特殊的控制方式，還可以實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)。圖4所示為一種采用不對稱控制方式的軟開關(guān)半橋型的電路。其他可以用于集成模塊的電路還有移相全橋型電路等。
電力電子集成模塊的封裝技術(shù)
封裝技術(shù)指將不同功能、不同工藝的功率器件管芯與部分或全部驅(qū)動、保護(hù)、控制電路元件采用一定的工藝手段相互連接和組裝，構(gòu)成集成模塊。
目前比較成熟、應(yīng)用最為廣泛的方法是在DBC基板或鋁基板上安裝管芯和元件，用鋁絲壓焊互聯(lián)的技術(shù)。
雖然鋁絲壓焊工藝應(yīng)用廣泛，但越來越多的研究表明，該工藝存在諸多問題，主要的有：
?互連線寄生電感較大，會給器件帶來較高的開關(guān)過電壓，形成開關(guān)應(yīng)力。
?多根鋁絲并聯(lián)的臨近效應(yīng)導(dǎo)致電流分布不均，造成局部電流集中，也成為加速模塊失效的一個原因。
?高頻大電流通過鋁絲產(chǎn)生的電磁力、熱應(yīng)力等造成其可靠性較低，容易疲勞脫落造成模塊失效。
?鋁絲較細(xì)，傳熱性能不夠好，不能有效的將器件表面產(chǎn)生的熱量有效傳出。
因此出現(xiàn)了許多不采用鋁絲的互連方法，如MCM(Multi-Chip Module 多芯片模塊)、BGA(Ball Grid Array 焊球陣列)等技術(shù)，但這些方法目前都還不夠成熟，還不能達(dá)到足夠高的可靠性，并且因?yàn)槌杀据^高而難以商業(yè)化。
磁集成和無源元件集成技術(shù)
電源裝置中往往包含變壓器、電感等磁性元件，不僅體積大，而且形狀不規(guī)則，給結(jié)構(gòu)設(shè)計帶來很多不便。采用磁集成技術(shù)可以將多個磁性元件集成為一個磁集成元件，不僅減小了體積，而且便于結(jié)構(gòu)設(shè)計。進(jìn)一步還可以將電路中部分電容與磁性元件集成在一起，構(gòu)成無源集成模塊，進(jìn)一步減小體積。圖5是一種用于開關(guān)電源的磁集成模塊的組成結(jié)構(gòu)，而圖6是該模塊的實(shí)例。

國內(nèi)的研究進(jìn)展
國內(nèi)學(xué)術(shù)界目前已經(jīng)對電力電子集成技術(shù)引起高度重視，并形成共識，認(rèn)為應(yīng)該在政府的推動下，盡快開展我國的電力電子集成技術(shù)的研究工作。中國國家自然科學(xué)基金已經(jīng)批準(zhǔn)了“電力電子系統(tǒng)集成的理論與關(guān)鍵技術(shù)研究”重點(diǎn)項(xiàng)目，由浙江大學(xué)，西安交通大學(xué)和西安電力電子技術(shù)研究所分別承擔(dān)，于2003年1月起正式啟動。經(jīng)過一段時間的努力，本項(xiàng)目組在集成技術(shù)方面已經(jīng)取得了一些初步的進(jìn)展。