在过去的几年中，电力电子领域关注的焦点多集中在定位于特定目标市场的新型大功率集成电路的研究与开发及其更新换代上。这样不仅导致了标准IGBT模块的产生，而且也出现了一些经过优化满足特定客户需求的特殊类型的模块。低损耗系列模块因为降低了通态压降而得到优化，然而因为它的开关损耗非常高，则只有在开关频率较低的应用场合使用这种模块才有意义。与此对应，业界也开发了应用在高开关频率领域的超快速模块。由于较小的尾电流，这些IGBT模块都是谐振开关变换器的理想选择。除此之外，在不改模块体积的情况下新一代功率集成模块都具备更高的功率密度和效率。新型的沟道IGBT和软穿通型IGBT就是该方向今后研发的重点，从而进一步增加了可选用模块选件的范围。
现今最新一代的沟道IGBT和轴向载流子寿命控制续流二极管构成的模块电流密度达到200A 所/cm2（图1）。如此高的电流密度使得现有的封装尺寸效率更高，也就是说现有的电流等级所需要的芯片面积会逐渐减小。例如1999年SEMIKRON 最大的1200V半桥模块额定电流是400A，而今同样的封装却能提供600A的电流。由于功率密度的持续提高，生产厂商和功率模块用户都经常面临新的挑战。
一段时间以来，功率变换器的体积已经不再取决于功率半导体模块的尺寸，而是由无源元件如电容、电感和滤波器等决定的。这种现象在小功率驱动器上尤其如此，这一点可以从（1）ECPE（欧洲电力电子中心）的一项研究报告中看出来。对于2.2kW范围以下的现代驱动器，功率半导体模块封装只占整个设备体积的6%，这和电缆端子所占的体积大致相当，直流环节的电容组约占12%的体积，是功率器件的两倍，而其中所占空间最大的部件就是控制电路板（约占23%的体积），因为它不仅包含驱动和控制电路，还包含供电单元和EMI滤波器（图2）。这样一种趋势也在向大功率变换系统上延伸。电力电子器件变得越来越小，而无源元件、电缆和主回路接线端子等的体积却基本不变。
如今功率器件的尺寸不再取决于半导体芯片所占用的面积，而是取决于主回路端子。因此人们期望减小电力电子模块的体积从而降低成本并达到象芯片尺寸减小那样的程度是不现实的。而且在存在振动的场合，大的电缆横截面和直流母线排都会对模块产生比较大的应力，这些因素甚至会对连接元件的可靠性产生负作用。因此，在设计功率变换器时消除应力的元件以及直流电路环节额外的机械加固元件也扮演着重要的角色。
半导体模块中日益增加的功率密度给用户带来越来越多的散热问题。当功率保持不变时，模块体积越来越小，单位体积功率模块的功率损耗值就逐渐增加，这就对散热器提出了更高的要求。
在强制风冷系统中，因为可靠性的缘故，通常不大可能利用到模块的最大功率，因为我们并不建议用户增加散热器的温度。因此，为了最好地利用散热器，有必要分散热源，从而避免热点的产生。通过推出SEMiX®模块，SEMIKRON提出了一个新基准，即功率部件中使用单个半桥模块而不是整体集成的六管封装模块。
当采用强制风冷时，模块可间隔安装。由于相应的热传导效应，模块基板的温度低得多，从而可以提高输出功率。图3示出了热传播的正面效应，在这个例子中，如果模块间隔地安装在散热器上，则散热器最高温度从96°C降低到91°C。当然也可以用集成的六管封装模块代替半桥模块，在这种情况下，如果采用水冷，则可以实现更高功率密度的紧凑解决方案。
一段时间以来，有人将研究重点放在开发新的安装和连接技术上面，以适应日益增加电流密度的新型芯片的使用。迄今为止，因为可靠性和灵活性的限制任何单一的技术都不能获得完全成功。此外，新连接技术的开发也受更大集成度（驱动电路和无源元件）和模块芯片双面散热技术的驱动。由于多层电路板、金属化器件、焊接包甚至曲面电路板的使用（2）连接技术已经取得了巨大进步。这些高集成度的技术在商业电力电子模块上的使用只是一个时间问题。
产品平台开发
除了上述提到的技术挑战以外，在电力电子领域产品平台也扮演一个日益重要的角色。在此所谓的产品平台开发是指基本模块的开发，这些基本模块是开发或设计不同产品系列的平台。
例如，当我们看到来自同一生产厂家不同汽车模型上相同的汽车引擎和底盘组件时，可以说汽车行业是这种“产品平台”概念的先行实施者。我们的客户在变换器开发与生产时也在实施同样的战略，但问题是他们的这种开发行为没有得到半导体厂家的足够支持。
在目前市场上销售的半导体模块中，不同的模型和连接技术方面存在太多的不一致，由此产生的结果就是客户基于标准的元件和模块也很难制造出各种性能一致的变换器系列。
由于SEMiX®产品平台的推出，针对该问题SEMIKRON致力于为15-150kW范围内的模块提供一个解决方案。
图4示意了SEMiX®产品平台的概念。以基本模块为基础，针对不同的功率范围、拓扑结构、集成度以及不同的封装形式，可以产生不同的模块版本，从而适时地满足特定用户的需求。
针对不同的电流等级和拓扑结构，基本模块自身有四种不同类型的模块封装形式。但这四种封装是建立在同样的内部元器件平台基础上的，也就是说直流环节和驱动电路的接口在整个功率范围内都是一致的。SEMiX的推出使得我们能够为这种生产前的标准产品模块进行备货，从而使得客户定制的产品能够被迅速的生产与交付。
对变换器设计者而言，这意味着量测模块组件的功率和功能更加简单，它同时还能够降低开发过程的复杂性以及所耗费的时间。在此基础上，满足客户定制拓扑和并实现客户产品系列的连续延伸。
市场进一步的需求就是功率模块外设的优化连接。它包括短而适应性强的主回路端子以及驱动集成电路的连接。SEMiX平台第一次将驱动电路直接安装在功率模块上，从而使得连接路径非常短。
结论
由于高超的芯片技术，现代功率半导体相对于过去几年的功率半导体而言其电流密度约增加了50%。这种发展直接提高了对功率半导体模块中元件集成度和连接技术的要求，以及器件散热的要求。对于强制风冷系统，不利于降低成本的各种限制因素已经被克服。
考虑到最优正向导通损耗和高开关频率等方面的技术指标，很多现有的芯片技术都具备和具体应用相应的优势。随着SEMIX新型模块系列的推出，SEMIKRON能够提供宽范围的模块化产品，这些产品能够实现客户的特定方案。SEMIX产品系列在今后的几年中将会得到持续的增补和扩充。
参考文献：
（1）Technology Study on Industrial Drives, 2004, ECPE
（2） Flip-Chip Flex-Circuit Packaging for Power Electronics, Y. Xiao et al., CPES, ISPSD 2001
