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三菱电机携八款功率器件亮相PCIM Asia 2016

宋高升

三菱电机半导体大中国区应用技术中心总监

三菱电机今年继续以“创新功率器件构建可持续未来”为主题,携带八款新型功率器件,于6月28至30日在上海世博展览馆举行的PCIM Asia 2016 (上海国际电力元件、可再生能源管理展览会)中登场,向公众展示其在功率半导体市场上的非凡实力。

三菱电机株式会社(以下简称三菱电机)创立于1921年,其网络遍布36个国家,共有12万多名雇员,全球范围内有370个以上关联公司。在过去90多年时间里,三菱电机不断拓展自己的业务,到目前为止, 集团的产品和服务广泛涉及楼宇、空调、宇航、能源、工业自动化、半导体、交通、汽车设备、信息通讯、影像信息、公共系统以及家用产品等领域。

三菱电机半导体事业部共有四条产品线——功率半导体、光器件、高频器件和TFT液晶显示屏。 三菱电机功率半导体按照应用领域可以分为四条产品线——家电应用、工业和新能源应用、铁道和电力应用、电动汽车应用。

变频家电行业 对功率器件的要求是高度集成、体积更小、损耗更低。

在变频家电应用方面,三菱电机这次在去年推介的SLIMDIP模块的基础上,细分出SLIMDIP-L和SLIMDIP-S两款产品,SLIMDIP-L用于变频洗衣机和变频空调, 而SLIMDIP-S用于变频冰箱和变频风机控制。

两款SLIMDIP均采用RC-IGBT芯片,实现更高的集成度;封装面积比超小型DIPIPMTM缩小达30%;内置自举二极管和限流电阻;最大运行壳温提升至115℃; 并集成短路保护和欠压保护,同时提供温度模拟量输出功能和过温保护功能。

工业和新能源行业 对功率器件的要求是低噪声、低损耗、低成本和长寿命,在高端应用场合需要智能功率模块(IPM),还有些场合(如医疗仪器)需要高频开关能力。

针对工业应用市场,三菱电机将展出第7代IGBT模块、整流逆变制动一体化智能功率模块DIPIPM+, G1系列智能功率模块(IPM)。

第7代IGBT模块,可以应用在通用变频器、伺服驱动器及不间断电源。它采用了第7代IGBT硅片和二极管硅片,降低损耗; 具有650V、1200V和1700V三种电压等级;涵盖模块电流75A至2500A;兼容现有市场主流产品封装;提高产品热循环寿命和功率循环寿命;采用预涂热界面材料(PC-TIM),与传统硅脂相比, 模块与散热器的接触热阻降低70%;NX封装具有焊接方式和压接方式两种控制端子可供选择。

整流逆变制动一体化模块DIPIPM+,适合通用变频器、伺服驱动器和商用空调压缩机驱动。它完整地集成整流桥、逆变桥、 制动单元以及相应的驱动保护电路, 采用第7代CSTBTTM硅片;内置短路保护、欠压保护功能以及温度模拟量输出功能;另内置自举二极管及自举限流电阻; 提供额定电流覆盖50A/600V和5~35A/1200V。 采用该款模块设计通用变频器,可以最大程度地简化PCB布线设计,缩小基板面积,是小功率变频器低成本化的最佳解决方案。

G1系列IPM,针对高端变频器、伺服电机驱动器的应用而设计。它采用了第7代 IGBT和FWDi芯片,实现更低损耗; 使用更适合伺服驱动器的窄长形封装;控制端子与现行L1 系列兼容,适用同样的接口电路;针对不同的保护动作,输出不同的故障识别信号;额定电流覆盖50A~450A/600V,25A~200A/1200V。

为满足新能源发电特别是光伏发电的市场需求,三菱电机向客户大力推介第7代IGBT模块及大功率三电平逆变器用单管IGBT模块。

针对大功率光伏逆变器及大功率不间断电源,三菱电机推出大功率三电平逆变器用单管IGBT模块。 它采用第6代和第7代IGBT硅片,实现低损耗;可以根据不同需要组建I型或者T型3电平拓扑;具备低杂散电感(一单元模块8nH,两单元模块12nH);高绝缘耐压达4000Vrms/1分钟;最大结温可达175℃; 最大电流等级达到1400A/1200V和1000A/1700V。

铁道牵引行业 对功率器件的要求是高耐压、高可靠性和防爆能力。

在PCIM 亚洲展2016上,三菱电机为轨道牵引和电力传输,以及电动汽车领域,带来三款功率模块,分别为X系列的单管及双管HVIGBT模块,适合牵引变流器及直流输电应用; 而J1系列汽车用IGBT模块则适用于电动汽车驱动器,及高可靠性逆变器。

首次亮相展会的X系列双管HVIGBT模块,采用CSTBTTM结构的第7代IGBT和RFC二极管,降低功率损耗; 运用可降低内部电感的封装技术,优化产品性能;使用两种封装(LV100/HV100),实现两种绝缘耐压(6kV/10kV),但两者具有相同的外形尺寸。LV100封装包括900A/1.7kV和450A/3.3kV; HV100封装包括450A/3.3kV、330A/4.5kV和225A/6.5kV;可提高系统结构设计的灵活性,方便实现逆变器扩容。

至于X系列单管HVIGBT模块,采用第7代IGBT和RFC Diode硅片技术,实现更低饱和压降和开关损耗; 使用LNFLR技术实现低热阻;允许最高运行结温150℃;安全工作区(SOA)裕度大,续流恢复能力强; 封装兼容传统的H系列HVIGBT;标准产品包括1800A/3.3kV、1350A/4.5kV和900A/6.5kV; 此外,还有业界规格最大,针对电力传输应用而开发的6500V/1000A单管HVIGBT。

电动汽车行业 对功率器件的要求是水冷散热、更小封装、更高功率密度和更高结温承受能力。

J1系列汽车用IGBT模块是专为电动汽车驱动器,及高可靠性逆变器设计,采用Pin-fin底板的六合一汽车用IGBT模块。 它使用第7代IGBT硅片技术,损耗更低;高可靠性的DLB(直接主端子绑定)技术;及基于硅片的温度和电流检测技术。J1系列提供A、B两种封装。A型封装(小封装)有300A/650V、600A/650V、400A/900V和300A/1200V; B型封装(大封装)有1000A/650V和600A/1200V,这两种封装可以满足从小型电动汽车到大型电动公交车的应用要求。

针对J1系列新型汽车模块,三菱电机将提供包括驱动电路、冷却水套及薄膜电容的整体解决方案技术支持, 以方便客户快速应用该模块实现汽车用逆变器的设计。

功率半导体的创新和突破

功率模块芯片技术

➢IGBT芯片:在第6代IGBT芯片的基础上,开发了最新的第7代IGBT芯片。第7代IGBT采用更薄的N-漂移区层,进一步降低IGBT饱和压降与关断损耗;更优化的元胞设计, 使得驱动电阻Rg对IGBT关断电压dv/dt可控性更强。

➢二极管芯片:在第6代二极管芯片的基础上,开发了最新的第7代二极管芯片。第7代二极管芯片又称RFC(Relaxed Field of Cathode)二极管, 内部采用更薄的N漂移区层以降低正向通态压降和反向恢复损耗;还采用N+/P阴极结构,以抑制二极管Snap-off反向恢复。总之,RFC二极管实现了更优的静态和动态特性,并确保没有Snap-off现象。

➢RC-IGBT芯片:成功开发了基于LPT(轻穿通)结构的第2代RC-IGBT芯片(同时集成IGBT和二极管)。第2代RC-IGBT的优点是,采用更薄的N-漂移区层实现更低的IGBT饱和 压降与关断损耗,以及二极管的通态压降和恢复电流;优化芯片布局,进一步降低二极管的恢复电流,并确保发热均匀;采用小尺寸芯片,以减小封装模块的体积和安装面积。

功率模块封装技术

➢家电用智能功率模块:在传统超小型(24mm*38mm)、小型(31mm*52.5mm)和大型(31mm*79mm)三个封装的DIPIPMTM的基础上,三菱电机最新推出比极小型封装 SLIMDIP(19mm*32mm),安装面积比超小型的减小31%。在变频家电应用领域,三菱电机的DIPIPMTM和SLIMDIP是名副其实的封装领航者。

➢工业用IGBT模块:为了提高工业用IGBT模块的性价比,第7代IGBT模块采用SLC(Solid Cover Technology)和TMS(Thick Metal Substrate)封装技术。

➢铁道牵引用HVIGBT: 新推出LV100和HV100二合一封装,分别对应6kV和10kV的绝缘耐压,低杂散电感易于并联扩容。

➢电动汽车用功率模块:在传统的压注模封装EV T-PM二合一模块的基础上,新开发了基于针型散热器(Pin-Fin)的六合一功率模块,进一步提升功率密度。

SiC功率模块的开发和应用

三菱电机在SiC功率模块的研发和产业化方面是走在世界前列的。上个世纪90年代,三菱电机启动SiC产品的预研工作,具体论证了SiC功率芯片的技术可行性。 本世纪初,三菱电机逐步在自己旗下的关联企业中做实验并论证SiC功率模块的性能和可靠性。经过20多年的技术积累,从2010年开始,三菱电机开始SiC功率模块的产业化。

目前,三菱电机的SiC功率模块主要应用在三菱电机旗下的产品里面,包括变频空调、伺服驱动器、高速电梯以及牵引变流器,以下是成功案例。

2010年11月,三菱电机推出世界上首个使用15A/600V Hybrid-SiC DIPIPMTM的挂壁式空调,使得空调变频器的损耗降低15%。

2012年12月,三菱电机推出装有200A/600V Hybrid-SiC IPM的新型数控驱动器,使得主轴电机的驱动力矩提升15%,驱动速度提高100%,单轴驱动器的尺寸缩小约20%。

2013年2月, 三菱电机发布使用1200A/1200V Full-SiC功率模块的新一代高速电梯,相比基于硅器件驱动的高速电梯,其功率模块的开关频率从6kHz提升到20kHz, 使得电气总损耗降低65%,控制箱总体积缩小57.2%,总重量减轻47.2%。

2014年4月,三菱电机1500A/3300V Full-SiC功率模块成功应用于小田急电铁网压为DC1500V的牵引变流器上。

2015年6月, 三菱电机1500A/3300VFull-SiC模块成功应用于新干线牵引变流器进行实际评估。

三菱电机的下一个目标是进一步降低其Hybrid-SiC和Full-SiC功率模块的成本,并决心将其系列产品逐步应用于家电、工业、牵引和汽车四个优势领域。

功率半导体近年发展策略

三菱电机功率半导体近年的市场发展策略可以概括为四句话——保持家电市场的领先地位;巩固高端市场的优势;拓展工业和新能源市场;培育电动汽车市场。

在变频家电市场,三菱电机的DIPIPMTM拥有绝对的市场份额,众多产品的封装已经成为行业的标准了。SLIMDIP新概念产品的强势推出,进一步丰富了家电用功率模块的产品线。

在高端应用市场,尤其是高速动车组、机器人、数控机床、高速电梯等,三菱电机的IPM(智能功率模块)得到了广泛的应用,为了满足细分市场对性价比的需求, 高性能的牵引级IGBT模块和工业级IGBT模块时刻准备着服务这些高端行业。

在工业和新能源市场,三菱电机全力推广第7代IGBT模块、第7代IPM模块和三电平IGBT模块,力争在通用变频器、电源、伺服驱动器、光伏逆变器等领域提高市场份额。

在电动汽车市场,三菱电机基于新推出的J1系列六合一Pin-Fin功率模块,开发了包括功率模块、驱动板、水冷散热器和薄膜电容在内的整体解决方案, 方便客户快速应用我们的汽车专用功率模块。

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