三相超快恢复二极管整流桥开关模块

模块化结构提高了产品的密集性、安全性和可靠性，降低了设备的生产成本，缩短了新产品进入市场的周期，提高了企业的市场竞争力。由于电路的连接已在模块内完成，可以缩短元件之间的连接，优化布线和对称结构的设计，大大降低装置线的寄生电感和电容参数，有利于实现装置的高频。此外，与同容量分立器件结构相比，模块化结构还具有体积小、重量轻、结构紧凑、外接线简单、维护安装方便等优点大大降低了装置的重量和成本，模块主电极端子、控制端子和辅助端子与铜底板之间有2.5kV上述有效的绝缘耐压性，使其能装置内的各种模块一起安装在接地散热器上，有利于进一步缩小设备体积，简化设备结构设计。
根据市场需求，常州瑞华电力电子设备有限公司充分利用公司近20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、工艺测试设备和制造经验，发展于2006年，能够满足需求VVVF变频器、高频逆变焊机、大功率开关电源、连续电源、高频感应加热电源、伺服电机传动放大器所需的三相整流二极管整流桥开关模块（型号为MDST)在此基础上，最近开发了三相超快恢复分公司极管整流桥开关模块(其型号为MFST)，与3~5普通整流二极管相比，该模块具有反向恢复时间(trr)短，峰值电流反向恢复(IRM)小和反向恢复电荷(Qrr)低的FRED，因此，变频器的噪音大大降低，从而使变频器EMI滤波了滤波电路中的电感和电容器尺寸，降低了价格，使变频器更容易满足国内外电磁干扰(EMI)标准。
1 模块的结构和特性
FRED整流桥——MUR420RLG开关模块由六个超快恢复二极管芯片和一个大功率高压晶闸管芯片按一定电路连接而成PPS(40%玻璃纤维)外壳内制成，模块内的电连接方式如图1所示。图中VD1～VD6为六个FRED芯片，连接成三相整流桥，晶闸管T串联在电桥的正输出端。图2显示了模块形状结构示意图，图中主要结构件的功能如下：
1)铜基导热底板：陶瓷覆铜板(DBC作为整个模块的结构基础，提供连接支撑和导热通道。因此，它必须具有高导热性和易焊性。由于它要与DBC由于其热线性膨胀系数(铜为16.7×10-6／℃，DBC约不5．6×10-6／℃)因此，除了混合磷和镁的铜银合金外，铜底板在焊接前应进行一定弧度的预弯。这种具有一定弧度的焊接产品可以在模块安装在散热器上时与散热器充分接触，从而降低模块的接触热阻，保证模块的输出。
2)DBC基板：在高温下氧化铝(Al2O3)或氮化铝(AlN)基板与铜箔直接双面键合，具有优异的导热性、绝缘性和易焊性，并具有接近硅材料的热线性膨胀系数(硅为4.2×10-6／℃，DBC为5．6×10-6／℃)，因此，可直接与硅芯片焊接，简化模块焊接工艺，降低热阻。同时，DBC基板可根据功率电路单元的要求蚀刻各种图形，作为主电路端子和控制端子的焊接支架，铜底板和电力半导体芯片相互绝缘，使模块具有2.5的有效值kV上述绝缘耐压。
3)电力半导体芯片:超快恢复二极管(FRED)和晶闸管(SCR)芯片的PN结是玻璃钝化保护，在模块生产过程中重新涂抹RTV这种多层保护使电力半导体器件芯片的性能稳定可靠。直接焊接半导体芯片DBC在基板上，表面处理的钼片焊接在芯片的正面，或者主电极的引线直接用铝丝键合作，部分连接通过DBC实现板刻蚀图形。根据三相整流桥电路共阳和共阴的连接特点，FRED芯片采用三片是正烧(即芯片正面是阴极、反面是阳极)和三片是反烧(即芯片正面是阳极、反面是阴极)，并利用DBC基板的蚀刻图简化了焊接。同时，所有主电极的引出端子都焊接在一起DBC在基板上，减少了连接，提高了模块的可靠性。
4)外壳:外壳采用抗压、抗拉、绝缘强度高、热变温度高的聚苯硫醚，玻璃纤维40%(PPS)注塑材料可以很好地解决与铜底板和主电极之间热膨胀和冷收缩的匹配问题。通过环氧树脂浇筑固化工艺或环氧板间隔，实现上下壳体的结构连接，实现高保护强度和气闭密封，为主电极引出提供支撑。
3 主要技术参数及应用
大功率高频开关设备(IGBT、功率MOSFET、IGCT等)已广泛使用VVVF、UPS、SMPS、具有直流环的逆变装置，如逆变焊机、伺服电机传动放大器等。图3和4分别显示VVVF变频器和高频逆变焊机的电原理图。
目前，图中的VD1～VD均采用普通整流二极管，R充电限流电阻，K作为接触器，其作用是短接充电限流电阻。由于开关频率高，以及VD1～VD6反向恢复峰值电流高，反向恢复时间长，产生谐波，使电流和电压波形严重畸变，噪声高，二极管超快恢复(FRED)取代普通整流二极管作为逆变器的输入整流器，可将变频器的噪声降低到15dB，这主要是因为FRED由低反向恢复峰值电流和短反向恢复时间决定。图5给出了FRED电流波形图导通和关闭。
FRED其主要反向关断特征参数为：反向恢复trr=ta tb(ta一少数载流子在存储时间，tb少数载流子复合时间)；峰值电流反向恢复IRM；反向恢复电荷Qrr=l／2trr×IRM表示器件反向恢复曲线软度的软度因子S=tb／ta。而FRED正向导通的主要参数有：正向平均电流IF(AV)；正峰值电压UFM；正方根电流IF(RMS)而正(不重复)浪涌电流IFSM。FRED反向阴断特性参数为：反向重复峰值电压URRM峰值电流反向重复IRRM。必须指出：反向恢复时间：trr随着结温Tj增加反向电压URRM增加和流过的正电流IF(AV)增加和增长，主要用于计算FRED的功耗和RC保护电路的反向恢复峰值电流IRM反向恢复电荷Qrr亦随结温Tj上升和增加。因此，选择原因FRED组成的三相FRED为了进行必要的调整，必须充分考虑这些参数的测试条件。值得一提的是：目前：FRED价格高于普通整流二极管，但由于使用FRED大大降低了变频器的噪音(降低到15dB)，这将直接影响变频器EMI滤波电路电容器和电感器的设计大大降低了它们的尺寸和价格，使变频器更符合要求EMI标准要求。
此外，在变频器中，充电限流电阻短开关，一般采用机械接触器，但由于环境的影响，特别是在湿度或粉尘环境中，经常损坏接触，接触器打开和断开电弧，缩短接触器寿命，严重影响变频器的稳定可靠运行。常州瑞华电力电子设备有限公司为解决上述问题而采用FRED取代普通整流二极管，用晶闸管取代机械接触器，制成三相FRED该模块用于变频器后，可大大提高变频器的性能、体积减小、重量减轻、工作稳定可靠。
公司生产的三相FRED整流桥开关模块MFST)主要参数见表1。
4 结束语
常州瑞华电力电子设备有限公司于2006年成功开发了三相整流二极管整流桥开关模块MDST)它由六普通整流二极管和一根晶闸管组成，其内部电连接原理图如图1所示，已广泛应用于VVVT、SMPS、UPS、具有直流环节的变频装置，如逆变焊机、伺服电机驱动放大器等，取得了很大的效果。超快恢复二极管(FRED)三相取代普通整流管FRED整流桥开关模块MFST)也可用于上述各种电压变频器，但可大大降低变频器噪5dB，这种效应将直接影响变频器EMI电容器和电感器在滤波电路中的设计大大降低了它们的尺寸，从而降低了设备的成本和体积，提高变频器的性能，稳定可靠地工作，使变频器更符合国家要求EMI标准。用晶闸管代替短路充电电阻的机械接触器，延长变频器的工作寿命，使工作更加稳定可靠。当前，虽然FRED比普通整流管更贵，模块生产工艺也会更复杂，但综合考虑分析上述优点，FRED三相FRED整流桥开关模块将得到快速发展和广泛应用。