封裝、集成和快速切換：已經(jīng)取得了什么成就，下一步發(fā)展是什么？

今天，由于該領(lǐng)域眾多公司的研究，功率器件已達(dá)到極高的效率水平。優(yōu)異的成績(jī)是由于不同電子和物理部門的協(xié)同作用，它們結(jié)合在一起，可以達(dá)到最高水平。讓我們看看功率器件的封裝和集成如何實(shí)現(xiàn)非常高的效率，尤其是在高開關(guān)速度下，從而積極利用所有可用功率。

封裝與集成：兩個(gè)成語

最近，在一個(gè)非常有趣的電源設(shè)備網(wǎng)絡(luò)研討會(huì)上，Eckart Hoene教授來自柏林的文章展示了功率器件效率的研究現(xiàn)狀。他的主要研究涉及包裝，特別關(guān)注工業(yè)應(yīng)用。他說：“我們開始使用集成制造工藝，因?yàn)槲覀兿Ｍ档烷_關(guān)損耗，從而減少寄生干擾。這會(huì)通過減少開關(guān)損耗來加快開關(guān)速度”。未來幾十年在這個(gè)領(lǐng)域?qū)⑹欠浅Ｖ匾蜎Q定性的。隨著可再生能源取代化石燃料，電力電子將變得更加重要，該行業(yè)的產(chǎn)量將增加十倍。Hoene 宣稱：“我們確實(shí)需要考慮如何盡可能經(jīng)濟(jì)地生產(chǎn)。一種可能的解決方案是減小設(shè)備的尺寸。更小的尺寸意味著更少的材料，因此，降低成本。完全集成的驅(qū)動(dòng)程序肯定會(huì)包含更少的組件”。他的研究活動(dòng)涉及快速開關(guān)功率半導(dǎo)體及其應(yīng)用的未來。

實(shí)現(xiàn)最大效率結(jié)果的策略

完全集成設(shè)備不是一項(xiàng)簡(jiǎn)單的操作，需要在開發(fā)和新技術(shù)方面付出一定的努力。通過集成，降低了開關(guān)損耗。集成的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是這大大減少了開發(fā)時(shí)間。事實(shí)上，使用現(xiàn)成的包，設(shè)計(jì)一個(gè)系統(tǒng)，并不需要對(duì)這件事有深入的了解。Eckart Hoene 教授進(jìn)一步表示：“當(dāng)我們想要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)系統(tǒng)時(shí)，如果我們使用現(xiàn)成的軟件包，那么所有的設(shè)計(jì)時(shí)間都將被消除，并且不需要專家所擁有的知識(shí)”. 高度集成的驅(qū)動(dòng)器包含更少的主動(dòng)和被動(dòng)組件。有很高的優(yōu)勢(shì)。這種技術(shù)可以降低開關(guān)損耗，增加脈沖頻率，甚至減少無源元件的數(shù)量?？傊?，集成可以產(chǎn)生幾個(gè)好處：

· 更少的開關(guān)損耗;

· 更少的寄生噪音;

· 更快的切換;

· 更快的發(fā)展：“打包”的知識(shí)減少了對(duì)有經(jīng)驗(yàn)的人的需求;

· 通過大批量生產(chǎn)技術(shù)降低成本;

· 減小設(shè)備的尺寸;

· 有源和無源元件的數(shù)量較少。

此外，開關(guān)性能越來越好，如今已實(shí)現(xiàn)幾乎完美的開關(guān)。新的半導(dǎo)體能夠快速改變它們的邏輯狀態(tài)，并且有可能克服以前從未達(dá)到的極限。這種集成還具有電感極低的巨大優(yōu)勢(shì)，甚至低于 2 nH。事實(shí)上，本地直流緩沖器的工作性能更好。清潔開關(guān)的秘訣是什么?電路的核心包含兩個(gè)半導(dǎo)體和中間電路電容器，以及一個(gè)阻尼電阻。隨著改進(jìn)，一些模塊還可以驅(qū)動(dòng) 150 安培和 800 伏特的負(fù)載。

在開啟過程中，電路中會(huì)短暫流過大電流(黑色圖中為 150 A)，然后減小。同時(shí)，中間電路的大電容保證了更長(zhǎng)時(shí)間的穩(wěn)定電流(綠圖)。緩沖器在切換時(shí)提供電流，并且由于它被電阻器阻尼，因此獲得了非常平滑和干凈的切換，沒有嗡嗡聲并且過電壓非常低。

低電感集成器件

在功率開關(guān)應(yīng)用中，電感具有決定性意義，必須盡可能加以限制。低電感是如何實(shí)現(xiàn)的?實(shí)驗(yàn)原型由兩層陶瓷基板組成。背部的特點(diǎn)是散熱結(jié)構(gòu)。請(qǐng)注意封裝在 PCB 上的四個(gè)碳化硅半導(dǎo)體。因此，該器件對(duì)電鍍處理的微通孔進(jìn)行了激光鉆孔。最后，用一個(gè)金屬蓋將其封閉，在該金屬蓋上可以使用電觸點(diǎn)。該設(shè)備可以從后面安裝。

僅直流鏈路中的低電感不足以實(shí)現(xiàn)開關(guān)目的，但柵極回路中的低電感也很重要。為此，將半導(dǎo)體集成到驅(qū)動(dòng)器升壓器中。最后，它們都形成了一個(gè)塊。當(dāng)然，進(jìn)一步的集成極大地簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)，但只適用于較低的電壓。該塊填充有絕緣材料以增加設(shè)備的安全度，并且由于陶瓷板，絕緣電壓約為2.5 kV，具有良好的導(dǎo)熱性。但是，塊中的孔允許您將組件擰到散熱器上。

結(jié)論

今天的主要目標(biāo)有兩個(gè)：提高性能和降低成本。為此，有必要調(diào)整生產(chǎn)過程。自動(dòng)化生產(chǎn)在這方面提供了許多可能性。因此，異構(gòu)集成將成為高性能、無寄生開關(guān)器件的未來，適用于 SiC 和 GaN 器件，并且可供所有用戶使用。