雙極模塊在工業(yè)工頻應(yīng)用中仍然是一種穩(wěn)健且具有成本效益的解決方案。盡管此類電路的基本操作方式?jīng)]有變化，但功率模塊的封裝技術(shù)卻在不斷進(jìn)步。自1975年SEMIPACK隔離底板整流模塊問世以來，它已發(fā)展成為一個(gè)覆蓋多種電流和拓?fù)涞拇笮彤a(chǎn)品系列，成為50/60Hz整流器和交流控制器的標(biāo)準(zhǔn)，并廣泛應(yīng)用于電機(jī)驅(qū)動、不間斷電源(UPS)系統(tǒng)及過程控制等市場。

SEMIPACK產(chǎn)品系列(圖1)目前涵蓋了六種不同外殼，內(nèi)置二極管和/或晶閘管，其額定電流從60A(SEMIPACK 1)到超過1300A(SEMIPACK 6)不等。

這些模塊被配置為非控整流(二極管/二極管)、半控整流(晶閘管/二極管)和全控整流(晶閘管/晶閘管)。晶閘管/晶閘管模塊還可以輕松配置為用于交流控制的反并聯(lián)連接。這些模塊的結(jié)構(gòu)在整個(gè)系列中有所不同。低功率模塊采用線焊和焊接連接，而大功率模塊則采用類似于膠囊器件的壓力結(jié)構(gòu)。

六種外殼尺寸中的每一種都經(jīng)歷了各自的修訂。最初的型號SEMIPACK 1已經(jīng)過五代改進(jìn)，以保持其市場領(lǐng)先地位。目前，第六代SEMIPACK 1.6已推出，覆蓋了全系列電流額定值。這一改進(jìn)為所有雙極應(yīng)用帶來了更高的性能和電流能力。

模塊結(jié)構(gòu)

SEMIPACK 1模塊采用了成熟的引線框架、芯片-基板和底板結(jié)構(gòu)。這些20mm寬模塊中使用的銅底板不僅提高了熱擴(kuò)散性能，還為不同類型的散熱器提供了堅(jiān)固的安裝表面。在第六代SEMIPACK 1中，內(nèi)部結(jié)構(gòu)得到了優(yōu)化。這些改進(jìn)提高了熱性能并減少了材料使用量，大幅提升了成本/性能比。

首先，雙極半導(dǎo)體芯片下方的材料堆疊被大幅簡化(圖2，頂部)。這顯著降低了從芯片到底板的熱阻(Rth(j-c))。與上一代相比，SEMIPACK 1.6實(shí)現(xiàn)了器件穩(wěn)態(tài)熱阻下降46%(圖2，底部)。

其次，SEMIPACK 1.6的底板尺寸有所減小。這不僅節(jié)約了寶貴的銅資源，使模塊的總重量從95克減至75克(減少18%)，而且在之前的SEMIPACK模塊中，底板需要通過螺絲孔提供安裝壓力以固定模塊到散熱器上，這要求底板有復(fù)雜的彎曲設(shè)計(jì)以在安裝后確保與散熱器的均勻接觸。在SEMIPACK 1.6的“混合”設(shè)計(jì)中，底板被增強(qiáng)塑料外殼包裹，并提供安裝壓力。這種改進(jìn)大大簡化了底板幾何設(shè)計(jì)，從而顯著增加了芯片下方散熱器的有效接觸面積。底板與散熱器之間改進(jìn)的金屬-金屬接觸面積還意味著需要的熱界面材料更少。與上一代相比，SEMIPACK 1.6的外殼到散熱器的整體熱阻Rth(c-s)減少了35%(圖3)，典型值為0.09K/W。

應(yīng)用性能

第六代SEMIPACK的熱性能改進(jìn)在典型電路運(yùn)行中的半導(dǎo)體結(jié)溫表現(xiàn)上尤為明顯。工業(yè)中最常見的電路之一是由電網(wǎng)供電的三相橋式整流器。這種電路可以很容易地用三個(gè)SEMIPACK 1模塊在一個(gè)散熱器上構(gòu)建。橋式整流器的輸入為典型的電網(wǎng)電壓(如400VAC，50Hz)，直流輸出被濾波后為典型負(fù)載(如逆變器)提供電流。這種電路可以使用Semikron Danfoss網(wǎng)站提供的在線SemiSel仿真工具輕松仿真。這個(gè)免費(fèi)工具包含了所有SEMIPACK型號的仿真模型，可以快速提供特定條件下的半導(dǎo)體結(jié)溫。在此示例中，散熱器上的三個(gè)SEMIPACK模塊通過強(qiáng)制風(fēng)冷散熱，入口空氣溫度為45°C。假設(shè)整流器輸出端的逆變器驅(qū)動電機(jī)，則通常需要考慮一次持續(xù)3秒的180%過載。

在這些條件下，可以比較第五代和第六代雙二極管(SKKD)SEMIPACK的性能(圖4)。首先對第五代SEMIPACK 1進(jìn)行仿真，在三相整流橋的輸出電流使結(jié)溫在過載條件下達(dá)到推薦運(yùn)行極限時(shí)記錄輸出電流值。如行業(yè)內(nèi)常見的設(shè)計(jì)規(guī)則，推薦的運(yùn)行結(jié)溫極限一般比數(shù)據(jù)表中的最大結(jié)溫低10°C。

例如，當(dāng)三相整流器的輸出電流為207ADC(3秒過載條件)時(shí)，第五代SKKD 81幾乎達(dá)到其推薦的運(yùn)行極限(115°C)。然而，在相同操作條件和輸出電流下，第六代等效器件(SKKD 95)的結(jié)溫僅達(dá)到103°C。此外，第六代SEMIPACK已通過認(rèn)證，允許器件的最大結(jié)溫Tj,max達(dá)到130°C。相比第五代的大部分器件，這意味著結(jié)溫提升了5°C。在應(yīng)用之前提到的10°C運(yùn)行余量后，第六代器件可以在120°C的條件下連續(xù)運(yùn)行。

產(chǎn)品系列

新推出的SEMIPACK 1.6系列(圖5)覆蓋了與第五代相同的電流范圍，同時(shí)擴(kuò)展了上限電流能力。改進(jìn)后的設(shè)計(jì)使雙二極管封裝在Tc = 85°C條件下可實(shí)現(xiàn)IFAV = 143A。對于裝備晶閘管的封裝(SKKH和SKKT)，其電流額定值為ITAV = 145A(Tc = 85°C)，在20mm封裝中達(dá)到了市場最高水平。浪涌電流能力也同樣處于行業(yè)領(lǐng)先水平，ITSM = 2210A @ Tj = 130°C。

鑒于400/480V網(wǎng)絡(luò)的廣泛使用，所有SEMIPACK 1.6均具有1600V的反向阻斷電壓。此外，還將提供1800V的器件。

總結(jié)

第六代SEMIPACK 1延續(xù)了從最初隔離型功率半導(dǎo)體模塊開始的創(chuàng)新傳統(tǒng)。通過減少材料使用，SEMIPACK 1.6為電子行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展貢獻(xiàn)了力量，同時(shí)提高了熱性能。隨著每新一代SEMIPACK的推出，其成本/性能比持續(xù)提升，確保其繼續(xù)成為所有工業(yè)應(yīng)用中首選的整流模塊。