主讲：吴济钧
一、概况
从所周知，当前电力电子技术的发展方向是：应用技术高频化、硬件结构模块化、半导体器件智能化、控制技术数字化以及产品性能绿色化（对电网等无污染）。
模块化结构提高了产品的密集性、安全性和可靠性，同时也可降低装置的生产成本，缩短产品进入市场的周期，提高企业在市场中的竞争力。由于电路的连线已在模块内部完成，并采用与PCB一样可刻蚀出各种图形结构的陶瓷覆铜板（DBC板），因此，大大缩短了模块内元器件之间的连线，可实现优化布线和对称性结构的设计，使装置电路的寄生电感和电容值大大降低，有利于实现装置的高频化。此外，模块化结构与同容量分立器件结构相比，还具有体积小、重量轻、结构紧凑、连接线简单，便于维护和安装等优点，因而大大缩小变流装置的体积、降低装置的重量和成本，提高了装置的效率和可靠性。且模块的主电极端子、控制端子和辅助端子与模块铜底板之间具有2.5KV以上有效值的绝缘耐压，使之能与装置内各种不同模块共同安装在一个接地的散热器上，有利于装置体积的进一步缩小，简化装置的结构设计。
20世纪80年代初，绝缘栅双极晶体管（IBGT）、功率MOS场效应管（POWER MOSFET）和集成门极换流晶闸管（IGCT）的研制成功，并得到急剧发展和商品化，这不仅对电力电子变流器向高频化发展提供了坚实的器件基础，同时，也为用电设备高频化（20KHZ以上）和高频设备固态化、为高效、节电、节能、节材，为实现机电一体化、小型化、轻量化和智能化提供了重要技术基础。与此同时，给IGBT、功率MOSFET以及IGCT等开关器件配套的，且不可缺少的FRD和FRED器件也得到飞快发展。因为随着装置工作开关频率的提高，若没有FRD和FRED给高频变频装置的开关器件作续流、吸收、箝位、隔离、输入整流器和输出整流器的配套，那么IGBT、功率MOSFET和IGCT等高频开关器件就不能发挥它们应有功能和独特作用，这是由于FRED的关断特性参数（反向恢复时间trr、反向恢复电荷Qrr和反向峰值电流IRM）的作用所致，****和合适参数的FRED、作为续流二极管与高频开关器件协调工作，使高频逆变电路内因开关器件换流所引起的过电压尖峰，高频干扰电压以及EMI干扰可降至最低，也可降低功耗，使开关器件的功能得到充分的发挥。
常州瑞华电力电子器件有限公司根据市场需求，充分利用公司近二十年来专业生产各种电力半导体模块的工艺制造技术、设计能力、工艺设备和测试设备以及生产制造技术经验，于2004年初和2007年初分别研发出能满足VVVF变频器、高频逆变焊机、不间断电源（UPS）、大功率开关电源、伺服电机驱动放大器等电源装置所需的“FRED模块”和“超快恢复FRED开关模块”。而“超快恢复FRED开关模块”是在本公司2006开发的“MDST变频器专用多功能集成模块（它是由一个三相整流二极管电桥模块和一个晶闸管组成）”的基础上研发成功，现已批量供用户使用，获得很好的效果，由于FRED与普通整流二极管相比，具有反向恢复时间trr短（从微秒降到纳秒）、反向恢复峰值电流IRM小（只是同容量普通整流二极管的四分之一）和反向恢复电荷Qrr低等优点，因而使变频器的噪音电平大大降低，从而使变频器的EMI滤波电路内的电感器和电容器尺寸减小，价格下降，使变频器更符合国内外抗电磁干扰（EMI）标准的要求。
二、超快恢复二极管（FRED）模块
1、FRED模块内部接线形式及其特点
FRED模块是由二个或二个以上的FRED芯片按一定电路连成后，共同封装在一个PPS工程塑料外壳内而制成，图1示出了本公司已开发的，并已批量生产的FRED模块内部电联接形式图，其电压为600V、1200V和电流为25A—300A。所有模块产品均通过了国家电力电子产品质量监督检验中心的全面测试和江苏省科委组织的省级鉴定。这些模块都具有下列特点：
1）FRED芯片都采用国外生产的、玻璃钝化保护的方形芯片，它具有关断时间trr短（30纳秒—50纳秒），反向峰值电流小、通态电压降VFM小，反向恢复软（即dirr/dt小）等优点，易于模块芯片的串、并联使用；
2）外壳采用聚苯硫醚（PPS）加40%玻璃纤维材料制成，它具有尺寸稳定性好，耐压等级高（20KV/mm）、吸水率低（0.05%）、较高的热变形温度（260℃左右），并具有阻燃性能和与环氧树脂有很好的亲和性，使模块电稳定性增加；
3）采用与PCB板一样可以刻蚀出各种图形的AlN陶瓷覆铜DCB板，因而大大缩短连线，简化结构，同时DBC板还具有机械强度高，绝缘性能好（20KV/mm），热导率高（170—180w/m.k），可焊性好，热膨胀系数接近硅（DBC板是5.1×10M-6/℃,硅为4.2×10-6/℃），因而可以直接把硅芯片焊在DBC板上，节省了过渡层钼（Mo）片，简化了工艺，提高了可靠性；
4）采用铜底板预变技术。由于铜底板的热膨胀系数（16.7×10-6/℃）是AlN陶瓷覆铜板（5.1×10-6/℃）的3倍，因此它们之间大面积高温焊接后，造成DBC板严重弯曲，并使焊料塑性形变，接触不良、热阻增大，从而可能使硅芯片破裂，模块损坏。为此，对铜底板在焊接前进行一定弧度的预弯，如图2（a）（b）（c），这种焊成后尚存在一定弧度的焊成品，当模块压装在散热器表面时，使它们之间有充分的接触、使热阻降低，有利于模块散热；
5）采用正烧（FRED芯片阴极在上、阳极在下）和反烧（FRED芯片阴极在下、阳极在上）结构的FRED芯片，大大降低模块内部的连线数，简化了工艺结构，使模块可靠性提高；
6）在硅芯片玻璃钝化保护基础上，再用RTV硅橡胶、弹性硅凝胶和环氧树脂等多重保护工艺技术，提高了模块的防潮、防湿和防震动的能力，使模块的可靠性和稳定性大大提高；
7）采用适于批量生产的氢（H2）、氮（N2）混合气体保护的隧道炉一次焊成工艺以及单真空箱焊接工艺，使焊接空洞大大降低，有效焊接面积达99%左右，因而大大降低了模块的结—壳（铜底板）热阻Rth(j-c)有利于模块的出力和工作的稳定性。
2、FRED反向恢复特性及其对开关器件的影响
1）FRED的反向恢复特性
当FRED二极管正向导通电流时，将从阳极和阴极注入大量载流子，并在基区以少数载流子的形式储存电荷，即从阳极注入的空穴以少子的形式在基区存储电荷。但当电路中导通的FRED二极管因外加反向电压使其换向时，要实现FRED管的“断态”，必须把FRED管导通时在基区储存的大量少数戴流子完全抽出或者中和掉，这就需要一定时间才能使FRED管恢复反向阻断能力，这时间就定为FRED管的反向恢复时间trr，如图3所示，由图可见，FRED的主要关断特性参数为：反向恢复时间trr，反向峰值电流IrRM，反向恢复电荷Qrr以及反向电流衰减率（dirr/dt），图亦显示了FRED从正向导通到反向恢复的全过程，图中，反向恢复时间trr=ta+tb，ta表示少数戴流子的存储时间，而tb表示少数戴流子的复合时间，而且trr应尽量短，这就是超快恢复的要求，且ta应尽量小于tb，ta期间FRED还没有恢复反向阻断能力，器件加不了反向电压，而tb期间，反向阻断能力开始恢复，这段时间内反向电流恢复率（dirr/dt）连同电路中的寄生电感将产生过电压尖峰和高频干扰电压，dirr/dt越高（即硬恢复）对FRED本身和与其并联的开关器件所作用的附加电应力就越大，有时甚至使开关器件损坏，必须引起注意。而缓慢的反向电流恢复率dirr/dt（即软恢复）是最合乎需要的特性曲线，通常用软度因子S=
来表示器件的反向恢复曲线的软度，因此，选用反向恢复时间trr短，反向峰值电流IRM小，反向恢复电荷Qrr小以及反向恢复特性软的FRED管是逆变电路中最合适的，同时也可降低逆变电路中FRED管和开关器件的功耗。
2）FRED反向恢复特性参数间的关系
如上所述，反向电流恢复率dirr/dt亦是一个很重要参数，它将与电路中存在的寄生电感L（如连接导线产生的寄生电感）作用而产生附加的感生电势VL，叠加到反向电压VR上，因而使反向峰值电压过高。可以推导出各反向恢复参数dirr/dt、VRM和Qrr与S之间的关系式：
由式（2）—（6）可见，提高FRED的软度因子（S）可以显著减小dirr/dt、IRM和Qrr值，从而可提高开关器件及逆变电路的可靠性。因此，器件制造者采用扩金、扩铂或电子幅照方法来控制，FRED的少子寿命和软度因子，同时采用结构设计（如外延工艺）来提高软度因子。
这里必须指出的是，各反向恢复特性参数都与结温Tj有关，如图4所示，由图可见，反向恢复时间trr随结温的上升而上升，125℃时的trr是25℃时的近2倍，结温125℃时的反向峰值电流IRM是结温25℃时的近1.5倍，而结温125℃时的反向恢复电荷Qrr是结温25℃时的近3倍。此外，反向恢复时间trr值亦受所加的反向电压VR，流过的正向电流IF以及反向电流恢复率dirr/dt的影响，trr随VR的增加而增加，亦随IF的增加而增加，但随dirr/dt的增加而减少，图5示出了在Tj=100℃和 VR=300V的条件下，反向恢复时间trr在不同IF时与dirr/dt的关系曲线。因此，当从产品数据表中选用FRED二极管时，必须注意FRED的各参数是在什么条件（即在什么Tj、VR、IF、和dirr/dt）下测得，以便进行适当修正，使之更符合实际使用条件。
3）FRED功耗的计算
FRED管的总功耗由断态损耗P0S、通态损耗Pcon、开通损耗Pon和关断损耗Poff等4部分组成，其功耗计算方法因FRED在开关逆变电路中所起的功能（作续流二极管、吸收二极管、隔离二极管、输入整流器和输出整流器之用）不同而不同。下面列举的计算方法适用于开关逆变电路，PWM控制的开关电源中的续流二极管和高频输出整流器（图6），这是因为它们的工作模式非常类似，且它们的电流和电压波形都是矩形。因此FRED在一个工作周期内所产生总功耗为：
PTOT=P0S=+Pcon=+Pon=+Poff=——（7）
①断态损耗P0S
当FRED管受反向电压作用后，将有一个很小的电流从阴极流向阳极，称为反向漏电流IRRM，它与所加反向电压VR和结温Tj有关。
P0S=+=VR = +·IRRM·D——（8）
式中D为占空比，一般IRRM·取125℃时的值
②通态损耗Pcon
一旦FRED管进入开通阶段，就流过正向IF，由于PN结的门槛电压VTO和半导体电阻（正向斜率电阻rTO），就会产生通态电压降VF，而VF与结温Tj和IF值有关（图7），由图可见VTO为A、B二点连线与VF轴的交点，而
③开通损耗Pon
要计算实际的开通损耗是非常困难的，因为它不同于静态损耗（断态损耗和通态损耗），而是动态损耗，即电压和电流值随时间的变化而变化，因此计算Pon只能采用指数函数简化公式来计算。图8给出了简化导通波形图，以此计算出开通损耗值要比实际大一些，所以可用产品数据表中的参数值来计算。
tf—FRED开通时的电流上升时间。它实际等于与FRED并联的开关器件的下降时间，根据dIF/dt值，即按产品数据表求出VFR和tfr
④关断损耗
与开通损耗计算一样，关断损耗的计算亦是利用产品数据表中的参数值来进行近似计算，图9示出了简化的电压和电流波形。
则关断能量Eoff为：
这里需要注意的是：IRM和trr值与结温有关，因此，在选用产品数据表中的IRM和trr值时，应按实际结温Tj值进行修正。
⑤计算散热器温度Th ，FRED管的总功耗为：
4）FRED模块的应用及其串并联
①FRED模块的应用
本公司生产的FRED模块MFDZ、MFDC、MFDK、MFDA和MFDQ的内部电连接图示于图1，图10示出了FRED模块用于开关电源和高频逆变焊机的输出整流器的各种电路。
图10：
（a）是半波整流电路，可用MFDZ模块。根据负载电流大小，可用几个MFDZ模块并联使用
（b）是全波中间抽头电路，共阴拓扑结构，可用MFDK模块。根据负载电流大小，可用几个MFDK模块并联使用。
（c）是全波中间抽头电路，共阳拓扑结构，可用MFDA模块。根据负载电流大小，可用几个MFDA模块并联使用。
（d）是全桥整流电路，可用MFDC或MFDK和MFDA或MFDQ模块，根据负载电流大小，利用上述模块并联使用。
（e）是输出电压较高的全桥整流电路，可采用MFDC模块串联使用，根据负载电流大小，亦可采用MFDC串并联使用。
②FRED模块的串并联
A.FRED模块的并联
电力半导体器件的并联技术有二种：一种是简化的器件直接并联技术，另一种是采用与器件串联电阻器或电抗器的强迫均流并联技术。对于FRED模块来说，为了简化几个模块的并联采用直接并联技术，由于受到并联支路阻抗的差异和并联器件正向伏安特性的影响，因而会造成稳态与瞬态电流分配的不均匀，为了获得直接并联的较好均流效果，应对影响均流的因素进行分析：
（a）主电路配置对均流的影响：FRED管进入稳态正向导通后，共正向电压降很低，相应的正向电阻很小。如果并联支路母线的配置不合理，则电阻自感和互感的差异就会造成电流分配的不均匀，如图11所示。由图可见，引出母线的位置对FRED电流分布的影响较大，因此在配线结构上必须引起注意。
（b）FRED的正向伏安特性，即VF对均流的影响
为了得到很好的均流,必须对所有并联FRED管的VFM进行严格筛选，一般直接并联的FRED管的正向峰值压降VFM值之差不大于0.1V。
（c）FRED管并联后总电流ITot的计算方法
ITot=n·In·K——（17）
式中：n—模块并联数 In—一个模块的电流值 K—均流系数，取0.8—0.9
B.FRED模块的串联
FRED模块芯片的串联要求一个静态电阻Rs来平衡FRED管的不同反向漏电流IRRM和要求一个RC吸收电路来平衡FRED管的不同反向恢复电荷Qrr。图12示出了FRED模块内芯片串联时的电压均分电路。对这些吸收电路的计算要考虑很多情况，而这些情况因应用不同而不同，只有准对某一应用情况而计算出来的吸收电路才是****的。其计算方法可详见“电力电子设备设计和应用手册”第3版、第4章“电力电子设备中的串并联技术”，这里就不再复述。
但必须指出，对于在FRED模块内串联的所有芯片，必须严格挑选其正向电压降VF和反向峰值电流IRM（亦即反向恢复电荷Qrr），应很接近，有时经严格测试筛选的FRED芯片串联时，可以不用吸收电路，而且可以利用DBC陶瓷板把多个FRED芯片串联后封装在一个外壳内，从而改进了模块的动态参数。图13示出了芯片串联对VF和IRM的影响。同样尺寸的芯片，反向电压VRRM越高，IRM和VF越高，把3个200V芯片串联成600V的模块，其VF增加3倍，而实际600V单芯片的VF约为200V单芯片的2倍（图13a），但****优点是3个 200V串联成600V的模块，其IRM 200V与单芯片的IRM一样，是实际600V单芯片IRM的一半（见图13b）。
三、超快恢复FRED开关模块
在逆变装置中，输入整流器常用来向直流环电容器充电，并很好地调节DC电压，若逆变装置不要求把能量反馈到交流电网，则交流整流可以采用不可控的单相或三相整流桥。为了限制最初对直流环电容器充电时所产生的冲击电流，以免损坏整流桥，一般采用下列的一种方法来实现：
（1）采用一个负温度系数（NTC）电阻器与输入整流器串接的方法。但这种方法仅对小功率逆变装置有用。
（2）采用在输入整流器的正直流输出端上串接一个充电电阻的方法。为了降低电阻上的功耗和提高装置的效率，当电容器充电到****电压值时，通常采用有限寿命的机械接触器来短接充电电阻。
（3）采用半控整流桥的方法。采用慢慢增加晶闸管触发角的方法，以实现软起动的目的，因而限制了电容器充电时的冲击电流，当电容器充满电后，进入正常时，电桥内的晶闸管就像整流二极管一样工作。
1.超快恢复FRED开关模块
超快恢复FRED开关模块是采用混合集成技术把6个超快恢复二极管芯片和一个大功率晶闸管芯片按一定电路连成后共同封装在一个PPS加40%玻璃纤维的工程塑料外壳内制成，其内部电联接方式如图14所示。
图中：FRD1—FRD6——超快恢复二极管芯片 T——大功率晶闸管芯片
1-3——交流输入端子 5-6——直流输出端子
7——门极端子 8——阴极辅助端子
4——阳极辅助端子
这里需要强调的是“超快恢复FRED开关模块”是在本公司2006年开发成功，现已批量供用户使用的“MDST变频器专用多功能集成模块”（其各项技术参数详见本公司产品说明书）的基础上于2007年开发成功的，该模块的内部电联接图完全与超快恢复FRED开关模块一样（见图14），仅由FRED芯片替代了普通整流二极管芯片，并在结构设计上作了进一步的改进。由于普通整流二极管的反向恢复时间trr长（几十微秒），反向峰值电流IRM大（一般是同容量FRED管的1~2倍），如图15所示，FRED管的超快恢复关断特性，使逆变装置的EMI噪音电平降低了15分贝（db），因而直接影响装置内抑制或消除EMI干扰的低通滤波器的设计，使滤波器内的电容器和电感器尺寸缩小，成本降低。当然，目前FRED管要比普通整流二极管贵，但从总价及对某些应用场合（如航天、航空、军用场合）以及逆变装置的电磁兼容更符合标准要求的角度来说，采用FRED开关模块还是非常必要的，是符合电力电子技术发展方向的。
图16和图17示出了“超快恢复FRED开关模块内部结构连线示意图”和“DBC板上FRED芯片及引出电极位置示意图”。由于FD1、FD2和FD3采用反烧（阳极在上，阴极在下）的FRED芯片，FD4、FD5和FD6采用正烧（阴极在上，阳极在下）的FRED芯片，因而使模块内部结构设计简化，连线数减少，工艺简化，而且进出电极平行，有利于减少寄生电感，使模块工作稳定可靠。
2.FRED开关模块的主要用途
FRED开关模块主要用于大功率开关器件（如IGBT、功率MOSFET、IGCT等）制成的带直流环变频装置，如调压调频变频器（VVVF），不间断电源（UPS），高频逆变焊机，大功率开关电源（SMPS）以及伺服电机驱动放大器等装置内。目前，上述装置大部分采用分立的单相或三相整流桥模块和机械接触器来完成向装置提供直流电源和短接充电电阻的功能，如图18和图19所示。
3.超快恢复FRED开关模块主要功效
1）用超快恢复二极管FRED替代普通整流二极管后，由于FRED的反向恢复时间trr（纳秒级）比普通整流二极管的trr（微秒级）短得多，且同容量的FRED管的反向峰值电流IRM只有普通整流二极管的一半到四分之一，良好的关断特性，因而使变频器的噪音电平（EMI）降低15分贝（db）以上，从而缩小变频装置EMI滤波器内电抗器和电容器尺寸，缩小装置体积，降低装置成本，减少装置对电网的污染，使装置更符合EMI标准的要求，达到绿色装置的目的。
2）用晶闸管替代机械接触器，实现了功率半导体无触点动力开关的目的，避免了因接触器带电弧开关和潮湿或带粉尘环境的影响使触头经常损坏的现象，而半导体无触点开关的寿命几乎是无限的，从而使变频装置的可靠性和工作稳定性大大提高，延长了装置的使用寿命，并使装置体积大大缩小。
3）用混合集成技术把FRED三相整流桥和SCR半导体动力开关混合集成为一个模块，非但缩短和减少它们之间的连线，而且大大缩小了体积，这特别有利于对空间要求十分严格、可靠要求很高的军事、航空、航天领域以及潜艇等特殊应用领域。同时，因混合集成模块铜底板与各电极之间有大于2.5KVRMS的绝缘耐压，因此可以把变频器的各种模块（如IGBT、功率MOSFET）共同安装在接地的同一散热器上，大大简化了结构设计和布线安排，达到节能、节材、缩小装置体积、简化结构设计、提高装置模块化程度、便于维修和安装。
4.超快恢复FRED开关模块的主要技术参数
四、结束语
常州瑞华电力电子器件有限公司始建于1988年10月，是专业生产电力半导体器件模块的公司，是国内最早生产电力半导体模块的专业厂家之一，在制造和开发电力半导体模块方面具有较丰富的经验，拥有生产电力半导体模块厂房2万多平米（其中包括洁净车间1千多平米），具有生产电力半导体模块的所有工艺设备、检测设备和可靠性试验设备。公司现有员工110人，其中从事高新技术开发的科技人员27人，拥有高级职称的专业技术人员9人，并每年按销售收入的5%比例提取固定的科研开发经费。现拥有国家专利8项（其中国家发明专利2项，实用新型专利4项，外观专利2项）。本公司于2002年4月通过了ISO9001：2000质量体系认证，2004年又通过了CE认证。2008年经金坛市科技局批准，建立了金坛市电力半导体模块工程技术研究中心，为开发新型电力半导体模块建立了人力、物力基础。“超快恢复FRED开关模块”已通过由中国电工技术学会电力电子协会组织的科学技术鉴定，达到************、国内领先、国际同类产品的先进水平。公司愿与国内外厂商开展真诚的合作，共同开发新型电力半导体模块和组件，以促进我国电力半导体模块产业的发展。
参考文献：
1.吴济钧：“电力半导体模块及其发展方向”，电源技术应用杂志，2001年8月（第8期），53—59页。
2.Heumann, K：“Impact of turn-off Semiconductor divices on power electronics, EPE Journal Vol.1（1991）No3.Page181—192。
3.颜辉、吴济钧：“超快恢复二极管模块的制作技术”，现代焊接杂志，2008年5月，22—24页。
4.IXYS Applican note IXAN0043“Input Rectifier with Semifast Diode for DC Link”。
5.颜辉、吴济钧：“三相超快恢复二极管整流桥开关模块”，电源技术应用杂志，2009年2月，第二期。
|
