今天，由于該領(lǐng)域眾多公司的研究，功率器件已經(jīng)達(dá)到了極高的效率水平。出色的結(jié)果是由于不同電子和物理部門的協(xié)同作用，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，從而主動使用所有可用功率。

封裝與集成：兩個致勝詞

在一個非常有趣的關(guān)于功率器件的網(wǎng)絡(luò)研討會上，Eckart Hoene教授來自柏林的研究人員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是因?yàn)槲覀兿霚p少開關(guān)損耗，從而減少寄生干擾。這通過減少開關(guān)損耗導(dǎo)致更快的開關(guān)”。未來幾十年在這個領(lǐng)域?qū)⑹欠浅Ｖ匾蜎Q定性的。隨著化石燃料被可再生能源取代，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：“我們真的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)動程序肯定會包含更少的組件”。他的研究活動涉及快速開關(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)備不是簡單的操作，需要在開發(fā)和新技術(shù)方面付出一定的努力。通過集成，開關(guān)損耗降低。集成的另一個優(yōu)點(diǎn)是這大大減少了開發(fā)時間。事實(shí)上，要使用現(xiàn)成的包，設(shè)計(jì)一個系統(tǒng)，不需要對這件事有深入的了解。Eckart Hoene 教授進(jìn)一步表示：“當(dāng)我們想要創(chuàng)建一個系統(tǒng)時，如果我們使用現(xiàn)成的包，則所有設(shè)計(jì)時間都被消除了，并且不需要專家擁有的知識”。 高度集成的驅(qū)動器包含更少的有源和無源組件。有很高的優(yōu)勢。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。總之，集成可以產(chǎn)生幾個好處：

更少的開關(guān)損耗；

更少的寄生噪聲；

更快的切換；

更快的開發(fā)：“打包”的知識減少了對有經(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)備尺寸；

主動和被動元件的數(shù)量較少。

在圖 1 中，您可以觀察到一些圖表，展示了組件的高度集成如何導(dǎo)致更少的開關(guān)損耗。

圖 1：集成涉及更少的開關(guān)損耗

此外，切換行為也得到了越來越多的改進(jìn)，如今，幾乎完美的切換已經(jīng)實(shí)現(xiàn)。新的半導(dǎo)體能夠快速改變其邏輯狀態(tài)，并且有可能克服以前從未達(dá)到的限制。集成還具有極低電感的巨大優(yōu)勢，甚至小于 2 nH。事實(shí)上，本地直流緩沖器的工作性能更好（見圖 2）。干凈切換的秘訣是什么？電路的核心包含兩個半導(dǎo)體和帶有阻尼電阻的中間電路電容器。通過改進(jìn)，一些模塊還可以驅(qū)動 150 安培和 800 伏的負(fù)載。

圖 2：電路的核心（開關(guān)單元）集成在一個模塊中，帶有兩個半導(dǎo)體和一個電容器

查看圖表，您可以看到電子開關(guān)已激活（紅色圖表）。在接通期間，大電流在短時間內(nèi)流入電路（黑色圖中為 150 A），然后減小。同時，中間電路的大電容保證了更長時間的穩(wěn)定電流（綠色圖）。緩沖器在切換時提供電流，并且由于它被電阻器阻尼，因此可以獲得非常平滑和干凈的切換，沒有嗡嗡聲和非常低的過電壓。

低電感集成器件

在電源開關(guān)應(yīng)用中，電感是決定性的，必須盡可能地加以限制。如何實(shí)現(xiàn)低電感？實(shí)驗(yàn)原型（圖 3 中可見）由兩層陶瓷基板組成。背面的特點(diǎn)是散熱結(jié)構(gòu)。請注意封裝在 PCB 上的四個碳化硅半導(dǎo)體。因此，該器件針對經(jīng)過電鍍處理的微通孔進(jìn)行了激光鉆孔。最后，它用一個金屬蓋封閉，上面有電觸點(diǎn)。該設(shè)備可以從后面安裝。

圖 3：低電感集成器件

僅直流鏈路中的低電感不足以實(shí)現(xiàn)開關(guān)目的，但門回路中的低電感也很重要。為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，半導(dǎo)體被集成到驅(qū)動器升壓器中。最后，它們都形成了一個塊。當(dāng)然進(jìn)一步的集成極大地簡化了設(shè)計(jì)，但只適用于較低的電壓。塊內(nèi)填充絕緣材料，增加設(shè)備的安全度，由于采用陶瓷板，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：提高性能和降低成本。為此，必須調(diào)整生產(chǎn)過程。自動化生產(chǎn)在這方面提供了許多可能性。因此，對于 SiC 和 GaN 器件而言，異構(gòu)集成將是高性能、無寄生開關(guān)器件的未來，并且可供所有用戶使用。

審核編輯：郭婷