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5.3 电力电子集成模块的封装技术。
目前电力电子集成技术主要采用混合集成方式,封装因此成为电力电子集成研究的关键技术。现在所广泛使用的是铝丝键合技术,其工艺简单,成本低,但键合点面积小,传热差,芯片表面温度分布不均匀,局部热集中[3];寄生电感大,造成开关过电压;各铝丝之间电流分布不均匀,局部电流集中;电磁力造成铝丝震动,会导致键合点脱落 [5]。如图7所示。由于存在诸多问题,现在研究的热点是多芯片模块技术(MultiChip Module—MCM)[5-7,12,13],如图8。该技术借鉴了集成电路的加工方法和工艺过程,把多个不同工艺的裸片安装在一起,并进行多层互连,形成具有完整功能的模块。MCM技术起源于集成电路的封装技术,现已用于射频、微波集成电路的制造并取得了较好的效果。然而将该技术应用于电力电子集成却遇到了许多障碍,如互连导线的电流承载能力不够、电路元件间绝缘、隔热困难、干扰严重、制造成本高、可靠性低等。来自不同研究机构的学者进行了大量的尝试,以图解决这些问题,但尚未取得突破性进展。在提出的众多技术方案中,还没有一种在性能、成本和可靠性等各方面都能够达到或接近IPEM的最终要求,研究还在探索中。除MCM技术之外,压接方式也是研究的重点之一,如图9所示。
图 7 铝丝键合芯片表面的温度场 图8 多芯片模块(MCM) 图 9 压接结构的IGBT
5.4 电力电子集成模块计算机仿真及辅助设计理论和方法。
IPEM集成度高、结构和工艺复杂,其设计工作涉及到电力电子器件、电路、控制、电磁、材料、传热等不同领域的技术问题,必须借助计算机仿真和辅助设计(CAD)工具,但现有的软件都不能胜任这一工作,要将电路、电磁场、传热等多种不同的仿真和CAD方法“集成”起来才行,这对仿真和CAD理论提出了新的挑战。参见图10~12。
图10 电磁场分析 图11 传热场分析 图12电路仿真
5.5 应用系统设计。
这一部分主要研究基于标准化集成模块的应用系统设计,其内容涉及根据应用选取适当的模块、解决多模块构成的系统运行稳定性问题及进行系统的优化设计。由于尚未形成模块的标准化系列,目前这一领域的研究主要试图建立由模块构成的示范系统,以证明电力电子集成概念的可行性和有效性。
一个成功的范例是集成交流电机(Integrated Motor),功率约1kW的变频器被集成在交流异步电机的壳体内,从而使电机具有了可调速性能,并且体积小、效率高。
此外,还有采用集成技术的分布式电源系统等。
6 结 论
本文对电力电子集成技术的概念、意义和发展概况进行了综述,详细介绍了国内外该领域的主要研究机构和研究内容,作出如下结论:
1) 电力电子集成技术是目前电力电子技术领域最为重要的研究方向,必将成为未来该领域的研究热点,并在某种程度上决定电力电子技术未来的兴衰命运。
2) 单片集成、混合集成和系统集成可以看成是电力电子集成的不同层次和形式,现阶段,单片集成局限于小功率范围,中功率领域多采用混合集成或混合集成与系统集成相结合的形式,而大功率领域仍以系统集成为主。由于具有更高的集成度和更好的性能,单片集成和混合集成是未来集成技术的主要发展方向。
3) 目前应该立足于现有技术水平,根据实际情况,采取合理的集成度和集成形式,并应尽快推进集成技术的实用化和产业化。
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