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电路集成和系统集成及封装工艺

开关电源的发展方向是模块化、集成化和智能化。近几年来具有各种控制功能的专用芯片发展很迅速,如功率因数校正(PFC)电路用的控制芯片,软开关控制用的ZVS、ZCS芯片,移相全桥用的控制芯片,ZVT、ZCT、PWM专用控制芯片,并联均流控制芯片以及电流反馈控制芯片等。功率半导体器件则有功率集成电路(PowerIC)和IPM。IPM以IGBT作为功率开关,将控制、驱动、保护、检测电路一起封装在一个模块内。由于外部接线、焊点减少,可靠性显著提高。集成化、模块化使电源产品体积更小、可靠性更高,给应用带来极大方便。

电路集成的进一步发展方向是系统集成。如现在的逆变器是将200~300个零件装配在一起成为一个系统。这种做法要花很多时间和人力,成本也高,难于做得体积很小。美国VI-COR公司生产的第一代电源模块受生产技术、功率、磁元件体积以及封装技术的限制,功率密度始终未能超过每立方英寸80瓦。近年来推出的第二代电源模块,内部结构也改为模块式,达到高度集成化和全面电脑化,功率密度已经达到了每立方英寸120瓦。电源模块内含元件只有第一代产品的1/3,由115个减为35个。第二代电源模块的控制电路只含两个元件,被称作“大脑”(Brain)。“大脑”是两片厚膜电路,由VI-COR公司自行开发生产,其总体积只有0.1in3,取代了第一代产品中的约100个控制元件,体积缩小了60%。第二代产品的另一个突破是变压器的改良,采用屏蔽式结构和镀铜磁芯,把初级和次级线圈分置左、右两边,温升很低。寄生电容和共模噪声也很低。变压器处理功率的密度达到了每立方英寸100瓦,温升只有3℃。第二代产品功率器件的管芯直接焊接在基板上以取代第一代TO-200封装,可以提高散热效率,降低寄生电感、电容和热阻。第二代产品的集成度显然提高了,但还不是系统集成。李泽元教授领导的美国电力电子系统中心(Center of Power Electronics Systems,缩写为CPES)已经提出了系统集成的设想。信息传输、控制与功率半导体器件全部集成在一起,组成的元件之间不用导线连接以增加可靠性;采用三维空间热耗散的方法来改善散热,有可能将功率从低功率(几百瓦至上千瓦)做到高功率(几十千瓦以上)。系统集成的结果,可以改变现在的半自动化、半人工的组装工艺而达到完全自动化生产,因而可以降低成本,有利于推广。英特尔的微处理器的发展趋势是速度更快,电压更低,而需要的电流容量一直在增加。20世纪末英特尔微处理器的工作电压是2~3V,电流为10A,操作频率是300MHz。而两年后它的工作电压降到1V,电流为30~50A,操作频率为1GHz。现在的做法是把开关电源紧靠在微处理器上,开关电源以很快的速度提供电流给微处理器,这样尚能满足现有微处理器的要求。但将来微处理器工作电压降低、电流增加、速度加快的时候,现有的解决方法将无法达到它的要求。为此,李泽元教授就提出要彻底解决问题,必须将开关电源与微处理器结合在一起。今天英特尔公司大部分人接受了这一想法并在积极促成此事。提出的构想是:开关电源紧密结合在微处理器主机板下面。这样开关电源的大小必须与微处理器相当,而现在的开关电源要比微处理器大几十倍。如何减小体积?这又面临新的挑战!


本文节选自《开关电源实用技术》,由镭之源激光电源收集整理
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