FRED超快恢復(fù)二極管模塊的工藝結(jié)構(gòu)與應(yīng)用技術(shù)

1.前言
  20世紀(jì)80年代初，絕緣柵雙極晶體管(IGBT)和功率M0S場效應(yīng)管(P0WER M0SFET)的研制成功，并得到急劇發(fā)展和商業(yè)化，這不僅對電力電子逆變器向高頻化發(fā)展提供了堅(jiān)實(shí)的器件基礎(chǔ)，同時，為用電設(shè)備高頻化(20kHz以上)和高頻設(shè)備固態(tài)化，為高效、節(jié)電、節(jié)材，實(shí)現(xiàn)機(jī)電體化，小型輕量化和智能化提供了重要的技術(shù)基礎(chǔ)。與此同時，給IGBT,功率MOSFET等高頻逆變裝置配套的、且不可缺少的FRED也得到了很快的發(fā)展。因?yàn)?，隨著裝置工作開關(guān)頻率的提高，若沒有FRED給高頻逆變裝置的開關(guān)器件作續(xù)流、吸收、箝位、隔離輸出整流器和輸入整流器。那么IGBT、功率MOSFET、IGCT等開關(guān)器件就不能發(fā)揮它們的功能和獨(dú)特作用，這是由于FRED的關(guān)斷特性參數(shù)(反向恢復(fù)時間trr、反向恢復(fù)電荷Qrr，反向峰值電流I_RM)的作用所致，最佳合適參數(shù)的FRED與高頻開關(guān)器件的協(xié)調(diào)工作。使高頻逆變電路內(nèi)因開關(guān)器件換相所引起的過電壓尖峰，高頻干擾電壓以及EMI降至最底，使開關(guān)器件的功能得到充分發(fā)揮，F(xiàn)RED模塊現(xiàn)已批量在大功率開關(guān)電源、高頻逆變電焊機(jī)、高頻逆變開關(guān)型電鍍電源、高頻快速充電器以及高頻調(diào)速裝置等場合使用，結(jié)果非常令人滿意。本文將簡要介紹該FRED模塊的工藝結(jié)構(gòu)，技術(shù)參數(shù)，應(yīng)用場合以及選用時應(yīng)注意的問題等供廣大使用者參考。
 
  2.快恢復(fù)二極管模塊工藝結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)

  本模塊是由二個或二個以上的FRED芯片按一定的電路(見圖1)連成后共同封裝在一個PPS(加有40%的玻璃纖維)外殼內(nèi)制成，模塊分絕緣型(模塊銅底板對各主要電極的絕緣耐壓Uiso≥2.5kv)和非絕緣型二種，其特點(diǎn)
  (1)采用高、低溫氫(H2)、氮(N2)混合氣體保護(hù)的隧道爐和熱板爐二次焊接工藝，使焊接溫度、焊接時間和傳送帶速度之間有最佳的匹配，并精確控制升溫速度、恒溫時同和冷卻速度，使焊層牢固，幾乎沒有空洞，從而降低了模塊熱阻、保證模塊出力，根據(jù)模塊電流的大小，采用直接焊接或鋁絲超聲鍵合等方法引出電極，用RTV橡膠、及組份彈性硅凝膠和環(huán)氧樹脂等三重保護(hù)，又加采用玻璃鈍化保護(hù)的、不同結(jié)構(gòu)的進(jìn)口FRED芯片，使模塊防潮、防震，工作穩(wěn)定。
  (2)銅底板預(yù)彎技術(shù)：模塊采用了高導(dǎo)熱、高絕緣、機(jī)械強(qiáng)度高和易焊接，且熱膨脹系數(shù)很接近硅芯片的氮化鋁陶瓷覆銅板(ALNDBC板)，使焊接后各材料內(nèi)應(yīng)力最低，熱阻最小，并避免了芯片因應(yīng)力而破裂。為了解決銅底板與DBC板間的焊接問題，除采用銅銀合金外。并在焊接前對銅底板進(jìn)行一定弧度的預(yù)彎。如圖2(a)，焊后如圖2(b)，這種銅底板尚存在一定弧度的焊成品，當(dāng)模塊壓裝在散熱器上時，能保證它們之間的充分接觸，有利于熱傳導(dǎo)，從而使模塊的接觸熱阻大大降低，有利于模塊的出力和可靠性。
  (3)由于FRED模塊工作于高頻(20kHZ以上)，因此，必須在結(jié)構(gòu)設(shè)計要充分考慮消除寄生電感等問題，為此，在電磁等原理基礎(chǔ)上，充分考慮三個主電極形狀、布局和走向，同時對鍵合鋁絲長短和走向也作了合適安排。以減少模塊內(nèi)部的分布電感，確保二單元的分布電感一致，從而解決模塊的噪音和發(fā)熱問題，提高裝置效率。
 
  3.主要技術(shù)參數(shù)
  圖3是FRED模塊導(dǎo)通和關(guān)斷期間的電流和電壓波形圖，它顯示了FRED器件從正向?qū)ǖ椒聪蚧謴?fù)的全過程。其主要關(guān)斷特性參數(shù)為：反向恢復(fù)時間trr=ta+tb（ta為少數(shù)載流子存儲時間，tb為少數(shù)載流子復(fù)合時間）；軟度因子S=(表示器件反向恢復(fù)曲線的軟度)；反向恢復(fù)峰值電流：；反向恢復(fù)電荷。而導(dǎo)通參數(shù)為：反向重復(fù)峰值電壓U_RRM.；正向平均電流I_F(AV)；正向峰值電壓U_FM；正向均方根電流I_F(RMS)和正向最大浪涌電流I_FSM等。   這里需要注意的是：trr隨所加反向電壓U_R的增加而增加，例如600V的FRED，在實(shí)際應(yīng)用時，用到30V時，則trr約為35ns，而用到350V時，trr》35ns，trr還隨著結(jié)濕上升而增加，Tj=125℃時的trr,約為25℃時的2倍左右。同時，trr還隨著流過正向峰值電流IFM的増加而增加。I_RM和Q_rr主要是用來計算FRED的功耗和RC電路，但他們亦隨結(jié)溫的升高而増大。125℃結(jié)溫時的Q_rr是25℃時的約1.5倍、而125℃結(jié)溫時的Q_rr是25℃時的近3倍以上。因此，在選用FRED時必須充分慮這些參數(shù)的測試條件、以便作必要的調(diào)整。因此，t_rr短，I_RM小和S大的FRED模塊是逆變電路中的最佳二極管，而t_rr短和Q_rr小的FRED，使逆變電路中的開關(guān)器件和二極管的損耗減少。
  FRED 150A~1200V的外型尺寸見圖4 。  
  4.快恢復(fù)二極管模塊應(yīng)用
  隨著電力電子技術(shù)向高頻化、模塊化方向發(fā)展，F(xiàn)RED作為一種高頻器件也得到蓬勃發(fā)展，現(xiàn)已廣泛用于各種高頻逆變裝置和斬波調(diào)速裝置內(nèi)，起到高頻整流、續(xù)流、吸收、隔離和箝位的作用，這對發(fā)展我國高頻逆變焊機(jī)、高頻開關(guān)型電鍍電源、高頻高效開關(guān)電源、高頻快速充電電源、高頻變頻裝置以及功率因數(shù)校正裝置等將起到推動作用。這些高效、節(jié)能、節(jié)電和節(jié)材，并能提高產(chǎn)品質(zhì)量和勞動生產(chǎn)率的高頻逆變裝置將逐步替代目前我國正在大量生產(chǎn)、體積龐大、效率低和對電網(wǎng)污染嚴(yán)重的晶閘管工頻電源，對加速我國電力電子產(chǎn)品的更新?lián)Q代周期將起到?jīng)Q定性作用?，F(xiàn)以高頻逆變焊機(jī)和高頻逆變開關(guān)型電鍍整流裝置為例，說明FRED的應(yīng)用情況。
  (1))FRED模塊在高頻逆變焊機(jī)內(nèi)使用情況
  圖5是高頻逆變焊機(jī)的方框圖。FRED模塊主要用于輸出整流器環(huán)節(jié)和IGBT逆變器內(nèi)。為了降低高頻逆變器內(nèi)由于高的開關(guān)頻率所產(chǎn)生的諧波和波形畸變，縮小EMI濾波器的電容器和電感器的尺寸、有時，輸入橋式整流器亦采用FRED模塊，當(dāng)然采用FRED替代普通整流管作輸入三相整流橋，價格將比普通整流橋貴，但有些應(yīng)用領(lǐng)域還是需要的，特別是利用FRED整流橋還可降低裝置噪音15db，降低
EMI濾波器電容器和電感器的尺寸和價格。采用比、逆變焊機(jī)重量約為工頻的25%，節(jié)電40%，節(jié)材(鋼和矽鋼片)約70%左右。  
  (2)FRED模塊在高頻開關(guān)型電鍍電源內(nèi)使用情況
  圖6是高頻開關(guān)型電鍍整流裝置方框圖。FRED模塊主要用于諧振軟開關(guān)逆變器和高頻整流器環(huán)節(jié)，其開關(guān)頻率為50kHz，體積是晶閘管工頻電鍍裝置的1/10，重量是晶閘管工頻裝置的1/25，大量節(jié)省了銅和矽鋼片材料，節(jié)電約355。此外、它與工頻晶閘管電鍍裝置相比、還只有調(diào)節(jié)響應(yīng)速度極快、對電網(wǎng)干擾小，且易消除、而且電鍍結(jié)晶細(xì)致、質(zhì)量高、節(jié)約鍍層金屬、提高鍍覆速度等優(yōu)點(diǎn)。   5結(jié)束語
  目前，超快恢復(fù)二極管模塊已廣泛用于高頻電力電子電路，已成為主要高頻器件之一，它的使用技術(shù)比較成熟，F(xiàn)RED模塊已在高頻逆變焊機(jī)，大功率開關(guān)電源，高頻逆變型電鍍電源，高頻快速充電器以及高頻調(diào)速裝置等場合批量使用。使整機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)緊湊、簡化、體積縮小、重量減輕、節(jié)電、節(jié)材、可靠性提高，F(xiàn)RED模塊已成為高頻逆變電路和斬波電路不可缺少的關(guān)健配套器件，隨著我國政府節(jié)能政策的進(jìn)一步落實(shí)，F(xiàn)RED模塊必將獲得更大的發(fā)展。
 



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