電力電子集成技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展方向

電力電子集成技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展方向電力電子集成技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展方向電力電子集成技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展方向xxx公司電力電子集成技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展方向文件編號：文件日期：修訂次數(shù)：第1.0次更改批準(zhǔn)審核制定方案設(shè)計(jì)，管理制度電力電子集成技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展方向王兆安楊旭王曉寶【論文摘要】綜述了電力電子集成技術(shù)目前的基本概念、研究的意義和現(xiàn)狀等；列舉了當(dāng)前主要的研究機(jī)構(gòu)和研究內(nèi)容;分析了未來的發(fā)展方向?！菊撐年P(guān)鍵詞】電力電子技術(shù)；封裝；電力半導(dǎo)體器件/集成技術(shù)AbstractBasicconceptsimportanceandstate-of-artofthepowderelectronicintegrationareintroducedint^iepapermajorresearchgroupsandresearchworksarelistedandthefuturedevelopmenttrendsareanalyzedKeywords：powerelectronics;package;powdersemionductordevice/integration1概述電能是迄今為止人類文明史上最優(yōu)質(zhì)的能源。雖然人類在電能的產(chǎn)生、傳輸和利用方面已取得了輝煌的成就，但如何更合理、更高效、更精確和更方便地利用電能，仍然是需要解決的重大問題。電力電子技術(shù)的誕生和發(fā)展使人類對電能的利用方式發(fā)生了革命性的轉(zhuǎn)變，并且極大地改變了人們利用電能的觀念。在世界范圍內(nèi)，用電總量中經(jīng)過電力電子裝置變換和調(diào)節(jié)的比例已經(jīng)成為衡量用電水平的重要指標(biāo)，目前，全球范圍內(nèi)該指標(biāo)的平均數(shù)為40%而到2010年將達(dá)到80%1。這就對電力電子技術(shù)提出了新的挑戰(zhàn)。然而，現(xiàn)在電力電子技術(shù)的發(fā)展已走到了十字路口電力電子裝置的復(fù)雜性與其應(yīng)用的廣泛性之間的矛盾越來越尖銳。一方面眾多領(lǐng)域需要大量使用電力電子裝置，而另一方面，電力電子裝置面向的應(yīng)用千差萬別，使得設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和維護(hù)需要耗費(fèi)大量的人力和物力，給普及和推廣造成了巨大障礙，成為電能利用技術(shù)進(jìn)步的瓶頸。目前，國際電力電子學(xué)界普遍認(rèn)為，電力電子集成技術(shù)是解決電力電子技術(shù)發(fā)展面臨的障礙，進(jìn)一步拓展電力電子技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域的最有希望的出路。電力電子集成概念的提出有十余年的歷史，早期的思路是單片集成，體現(xiàn)了片內(nèi)系統(tǒng)（SystemOnChip-SOC)的概念，即將主電路、驅(qū)動、保護(hù)和控制電路等全部制造在同一個(gè)硅片上。由于高壓、大電流的主電路元件和其它低壓、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(gè)不同工藝的器件裸片封裝在一個(gè)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(PM)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)域的一些著名學(xué)者共同提出了電力電子積木（PowerElectronicBuildingBlock-PEBB)的概念[1~4，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。2集成的意義集成技術(shù)的研究決定著電力電子技術(shù)未來的興衰命運(yùn)，這一點(diǎn)可以通過與電子技術(shù)發(fā)展歷程的對比來認(rèn)識?；仡欕娮蛹夹g(shù)發(fā)展軌跡，在以集成電路為標(biāo)志的微電子技術(shù)出現(xiàn)以前，電子裝置的設(shè)計(jì)、制造和維護(hù)也曾有相似情況。微電子技術(shù)的出現(xiàn)將電子設(shè)計(jì)中最主要的難點(diǎn)和絕大部分工作量封裝在集成電路中，大大降低了裝置的設(shè)計(jì)、制造和維護(hù)難度;每一個(gè)受過普通工科高等教育的工程師都可以很容易地設(shè)計(jì)出用于各自技術(shù)領(lǐng)域的電子裝置，大大提高了生產(chǎn)的自動化程度。集成化極大地推廣了電子技術(shù)的應(yīng)用范圍，使其滲透到生產(chǎn)和生活中的各個(gè)方面，給眾多產(chǎn)品打上了電子技術(shù)的烙印。應(yīng)用領(lǐng)域的拓展反過來極大地推動了該項(xiàng)技術(shù)自身的進(jìn)步，由于得到了公眾認(rèn)可、資金技術(shù)和產(chǎn)業(yè)支持以及巨大的市場，電子技術(shù)創(chuàng)造出了如電腦、手機(jī)、數(shù)碼照相機(jī)、MP3播放器等諸多凝結(jié)了其全部精華的技術(shù)寵兒。歷史常有驚人的相似，并使人從中得到啟迪。與30年前一樣，電力電子也需要從電力電子工程師所造就的象牙塔中走出來，成為從事不同行業(yè)、具備基本技能的工程師所能駕馭的有力工具。只有這樣，才能期待其更大的發(fā)展和更為輝煌的前景，而實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的途徑就是集成[2]。通過集成，可以將現(xiàn)有電力電子裝置設(shè)計(jì)過程中所遇到的元器件、電路、控制、電磁、材料、傳熱等方面的技術(shù)難點(diǎn)問題和主要設(shè)計(jì)工作解決在集成模塊內(nèi)部，使應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)簡化，僅選擇合適規(guī)格的標(biāo)準(zhǔn)化模塊進(jìn)行拼裝即可[3]。這一革命性的技術(shù)將使現(xiàn)在的電力電子技術(shù)領(lǐng)域分化為集成模塊制造技術(shù)和系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)兩個(gè)不同的分支，前者重點(diǎn)解決模塊設(shè)計(jì)和制造的問題，通過多個(gè)不同學(xué)科的緊密交叉和融合，攻克電力電子技術(shù)中的主要難點(diǎn);后者解決針對各種廣泛而多樣的具體應(yīng)用將模塊組合成系統(tǒng)的問題。隨著這一技術(shù)的發(fā)展，集成模塊的設(shè)計(jì)和制造技術(shù)將成為電力電子技術(shù)本身研究的主要內(nèi)容，而系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)則漸漸成為具備基本素質(zhì)的各行業(yè)工程師所掌握和使用的一般技術(shù)他們會根據(jù)各自行業(yè)所針對的應(yīng)用問題來設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)分散在各種裝置中的電力電子系統(tǒng)。由此，電力電子產(chǎn)業(yè)也將出現(xiàn)分化趨勢，集成模塊的制造將成為該產(chǎn)業(yè)的主要內(nèi)容，單純的電力電子裝置制造份額會逐漸減少，而更多的是滲透到其他的各個(gè)行業(yè)中去了。但這并不意味著整個(gè)產(chǎn)業(yè)的萎縮，相反，由于模塊在各個(gè)不同領(lǐng)域中的廣泛應(yīng)用，與集成電路一樣，電力電子產(chǎn)業(yè)將期待比現(xiàn)在更加蓬勃的發(fā)展。

3集成技術(shù)的不同層次和形式

總的來說，電力電子裝置與系統(tǒng)的集成可以分為3個(gè)不同的層次和形式：

單片集成

采用半導(dǎo)體集成電路的加工方法將電力電子電路中的功率器件、驅(qū)動、控制和保護(hù)電路制作在同一硅片上，體現(xiàn)了SOC單片系統(tǒng)的概念。這種集成方式的集成度最高，適合大批量、自動化制造，可以非常有效地降低成本，減小體積和重量，但面臨高壓、大電流的主電路元件和其它低壓、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問題。因此單片集成難度很大，目前僅在小功率范圍有所應(yīng)用，如TopSwitch等。隨著新型半導(dǎo)體材料和加工工藝的進(jìn)步，將來必然會向較大的功率等級發(fā)展?；旌霞?/p>

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(gè)硅片封入同一模塊中，形成具有部分或完整功能且相對獨(dú)立的單元。這種集成方法可以較好地解決不同工藝的電路之間的組合和高電壓隔離等問題，具有較高的集成度，也可以比較有效地減小體積和重量，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，混合集成介于集成度與技術(shù)難度之間，是根據(jù)當(dāng)前技術(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。

#p#副標(biāo)題#e#

系統(tǒng)集成(系統(tǒng)級的集成）將已有的實(shí)體經(jīng)過有機(jī)地組合及拼裝，形成一個(gè)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(gè)電路或裝置有機(jī)地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。這種集成是功能集成，具有低的集成度和技術(shù)難度，容易實(shí)現(xiàn)，因此是目前工程技術(shù)領(lǐng)域普遍采用的集成方案，但因集成度低，與獨(dú)立的裝置和電路相比，都無法明顯降低體積和重量，且構(gòu)成仍以分立元器件為主，設(shè)計(jì)、制造都較復(fù)雜，不能明顯體現(xiàn)集成優(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)界談?wù)摰募筛拍钜话阒竼纹珊突旌霞桑苌俸到y(tǒng)集成這一層次。4主要研究機(jī)構(gòu)目前國際電力電子集成領(lǐng)域內(nèi)比較有影響的研究機(jī)構(gòu)有:美國電力電子研究中心(CenterforPowerElectronicSystem-CPES)[1'2]、美國康奈爾大學(xué)電氣工程學(xué)院[3]、美國阿肯色大學(xué)電力電子研究小組[1西班牙國家微電子研究中心^等。美國通用電氣(GE)公司[7]、美國國際整流器公司（IR)、德國賽米控(Semikron)公司、瑞士ABB公司等一些有實(shí)力的企業(yè)也加入其中。CPES目前在該領(lǐng)域的研究中處于核心地位，所研究的內(nèi)容最為廣泛，產(chǎn)出的文獻(xiàn)和研究成果數(shù)量最多，在一定程度上領(lǐng)導(dǎo)著國際電力電子集成技術(shù)的主流研究方向。CPES提出的目標(biāo)是通過高密度混合集成和多層互連，將電力電子系統(tǒng)中主電路、傳感、驅(qū)動、保護(hù)、控制、通信接口等全部電路和元件都集成到一起，形成具有通用性的標(biāo)準(zhǔn)化電力電子集成模塊（IntegratedPowerElectronicModuleIPEM)用以構(gòu)成各種不同的應(yīng)用系統(tǒng)。

國內(nèi)學(xué)術(shù)界目前已對電力電子集成技術(shù)引起高度重視，并達(dá)成共識，認(rèn)為應(yīng)該在政府的推動下，盡快開展我國電力電子集成技術(shù)的研究。來自清華大學(xué)、浙江大學(xué)、西安交通大學(xué)的部分學(xué)者己著手從不同角度進(jìn)行研究，但總的來說還處于起步階段。

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)集成基礎(chǔ)理論與若干關(guān)鍵技術(shù)的研究"的重點(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。國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目的資助數(shù)額雖不大，但這一項(xiàng)目的立項(xiàng)具有深遠(yuǎn)的意義，標(biāo)志著我國電力電子集成技術(shù)的研究正式啟動。

5主要研究內(nèi)容及現(xiàn)狀

電力電子集成模塊的電路技術(shù)和磁技術(shù)

這部分研究的內(nèi)容主要涉及適用于集成模塊內(nèi)的具有通用性標(biāo)準(zhǔn)化的主電路、控制電路、驅(qū)動電路、保護(hù)電路、電源電路及磁性元件技術(shù)。研究的目標(biāo)是提高電路性能，降低損耗，以盡可能單一的電路方案適應(yīng)盡可能廣泛的應(yīng)用。

主電路方面的研究有用于AC/DC或DC/AC變換的軟開關(guān)電路、用于DC/DC變換的移相全橋型電路和半橋型諧振電路等，如圖1、圖2所示。驅(qū)動電路方面有可以降低開關(guān)噪聲的有源驅(qū)動技術(shù)等?？刂齐娐贩矫嬗谢贒SP和EPLD的可重復(fù)編程數(shù)字控制電路等[31。通信接口方面有基于現(xiàn)場總線技術(shù)和光纖的接口技術(shù)等。磁技術(shù)方面主要是對集成磁件和電容、電感、變壓器等混合集成進(jìn)行研究。

電力電子集成模塊的封裝技術(shù)該技術(shù)借鑒了集成電路的加工方法和工藝過目前，電力電子的集成主要采用混合集成方式，程，把多個(gè)不同工藝的裸片安裝在一起，并進(jìn)行了多因此，封裝技術(shù)就成為電力電子集成研究的關(guān)鍵?，F(xiàn)在廣泛使用的是鋁絲鍵合技術(shù)優(yōu)點(diǎn)是工藝簡單，成本低;缺點(diǎn)是:①鍵合點(diǎn)面積小，傳熱差，芯片表面溫度分布不均勻，局部易熱集中[3];②寄生電感大，造成開關(guān)過電壓;③各鋁絲之間電流分布不均勻，局部電流集中;④電磁力造成鋁絲震動，導(dǎo)致鍵合點(diǎn)脫落如圖7所示。因鋁絲鍵合存在諸多問題，所以現(xiàn)在的研究熱點(diǎn)是多芯片模塊技術(shù)層互連，形成具有完整功能的模塊。MCM技術(shù)起源于集成電路的封裝技術(shù)已用于射頻、微波集成電路的制造，并取得了較好效果。然而，將該技術(shù)用于電力電子集成卻遇到了許多障礙，如互連導(dǎo)線的電流承載能力不夠，電路元件間絕緣和隔熱困難，干擾嚴(yán)重，制造成本高，可靠性低等。來自不同研究機(jī)構(gòu)的學(xué)者進(jìn)行了大量嘗試，試圖解決這些問題，但尚未取得突破性進(jìn)展。在提出的眾多技術(shù)方案中，還沒有一種在性能、成本和可靠性等各方面都能達(dá)到或接近IPEM的最終要求，研究還在探索中。除MCM技術(shù)外，壓接方式也是研究的重點(diǎn)之一。

電力電子集成模塊的計(jì)算機(jī)仿真、輔助設(shè)計(jì)理論和方法IPEM集成度高、結(jié)構(gòu)和工藝復(fù)雜，其設(shè)計(jì)涉及到電力電子器件、電路、控制、電磁、材料、傳熱等不同領(lǐng)域的技術(shù)問題，必須借助計(jì)算機(jī)仿真和輔助設(shè)計(jì)(CAD)工具，但現(xiàn)有的軟件都不能勝任這一工作，要將電路、電磁場、傳熱等多種不同的仿真和CAD方法集成起來才行，這對仿真和CAD理論提出了新的挑戰(zhàn)，如圖10,圖11和圖12所示。

應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)

這部分的研究主要基于標(biāo)準(zhǔn)化集成模塊的應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)。內(nèi)容涉及根據(jù)應(yīng)用選取適當(dāng)?shù)哪K，解決多模塊構(gòu)成的系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性問題及進(jìn)行系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。因尚未形成模塊的標(biāo)準(zhǔn)化系列，目前這

一領(lǐng)域的研究主要是試圖建立由模塊構(gòu)成的示范系統(tǒng)，以證明電力電子集成概念的可行性和有效性。

目前一個(gè)成功的范例是集成交流電機(jī)(IntegratedMotor)功率約1kW的變頻器被集成在交流異步電機(jī)的殼體內(nèi)，從而使電機(jī)具有了可調(diào)速性能，并且體積小，效率高。此外，還有采用集成技術(shù)的分布式電源系統(tǒng)等。

6結(jié)論

對電力電子集成技術(shù)的概念、意義和發(fā)展概況進(jìn)行了綜述，詳細(xì)介紹了國內(nèi)外該領(lǐng)域的主要研究機(jī)構(gòu)和研究內(nèi)容，作出如下結(jié)論：

①電力電子集成技術(shù)是目前電力電子技術(shù)領(lǐng)域最為重要的研究方向，必將成為未來該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，并在某種程度上決定電力電子技術(shù)未來的興衰命運(yùn);②單片集成、混合集成和系統(tǒng)集成可看成是電力電子集成的不同層次和形式，現(xiàn)階段，單片集成局限于小功率范圍；中功率領(lǐng)域多采用混合集成或混合集成與系統(tǒng)集成相結(jié)合的形式;大功率領(lǐng)域仍以系統(tǒng)集成為主。由于具有更高的集成度和更好的性能，單片集成和混合集成是未來集成技術(shù)的主要發(fā)展方向；③目前應(yīng)該立足于現(xiàn)有的技術(shù)水平，根據(jù)實(shí)際情況，采取合理的集成度和集成形式，并應(yīng)盡快推進(jìn)集成技術(shù)的實(shí)用化和產(chǎn)業(yè)化。【參考文獻(xiàn)】[1]

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Erics