Fuji富士第 7 代“X 系列”IGBT-IPM-威柏德電子代理

2020-10-23 09:07:55 Westpac Electronics 897

為了對變頻器進行進一步小型化、低損耗化和高性能化,開發了第 7 代“X 系列”IGBT-IPM。本產品使用了最新的第 7 代“X 系列”芯片和新控制 IC,與傳統產品相比,損耗降低了約 7% 以上,實現了在 150℃下的連續運行。由此,裝置的輸 出電流可增加約 31%。另外,在原有的保護功能的基礎上,還內置了溫度警示功能,可以避免裝置停止動作。并且,在下橋 臂的保護動作時,由于制動單元獨立動作,可防止半導體器件發生過電壓破壞。

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Fuji Electric has developed the 7th-generation “X Series” IGBT-IPMs that allow inverters to achieve further miniaturization, loss reduction and performance improvement. By using the latest 7th-generation “X Series” chips and new control ICs, the product enables continuous operation at 150°C, while achieving a loss reduction of about 10% compared with previous products. This makes it possible to increase the output current of equipment by approximately 31%. Furthermore, in addition to conventional protection functions, built-in temperature warning function makes it possible to avoid device stoppages. Moreover, the brake unit can be independently operated when lower-arm protection is activated, preventing overvoltage breakdown of semiconductor devices.

 引言 近年來,為防止全球氣候變暖,打造安全、安心、可持 續的社會,能夠高效利用能源、為節能做貢獻的電力電子技 術備受期待。其中,作為產業、民生、汽車、可再生能源等 多個領域中使用的電力轉換裝置的關鍵器件元件 ,功率半 導體的需求日益增加。 富士電機自 1988 年實現功率半導體 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)模塊的產品化以來,通過了多 項技術革新,推進了小型化、低損耗化和高可靠性化。IPM (Intelligent Power Module),是具有驅動功能和保護功 能的 IGBT 模塊。IPM 中內置了業界首創 IGBT 芯片的過熱 保護功能和警報要素識別功能,為滿足高性能化和高可靠性 化要求,對電力轉換裝置的小型化、高效率化和高可靠性化 做出了貢獻。 此次,為滿足變頻器進一步小型化、低損耗化、高性能 化的要求,新開發了第 7 代“X 系列”IGBT-IPM(X 系列 IPM)。

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 2 產品概要

 圖 1 所示為 X 系列 IPM 的外觀,表 1 所示為產品陣 容及產品外形圖。為滿足市場的小型化要求,X 系列 IPM 新增加了“P639”、“P644”、“P638”三種封裝,并根據 額定電流開發了八個封裝。新封裝 P639 通過采用 RCIGBT(Reverse Conducting-IGBT⑴ ),與傳統封裝中最小 尺寸的“P629”相比,在冷卻器上的設置面積進一步減少 了 27%。P644 與傳統封裝的“P626”外形尺寸相同,該 封裝使 7 in1 成為可能。與傳統的同一電流容量帶封裝的 “P630”相比,P638 封裝使在冷卻器上的設置面積減少 了 54%。另外,要求高散熱性的高額定電流產品采用了高散熱絕緣基板。同時,X 系列 IPM 還將適應市場大電流化 需求的額定電流產品加入到了產品陣容之中。傳統的“V 系 列”IGBT-IPM(V 系列 IPM⑵ )中,額定電壓為 600 V 的 產品可達到 400 A,額定電壓值為 1200 V 的產品可達到 200 A。X 系列 IPM,額定電壓為 650 V 的產品可擴充至 450 A,額定電壓為 1200 V 的產品可擴充至 300 A。通 過新封裝的系列化和現有封裝額定電流的擴大,有助于所搭 載裝置的小型化。 另外,X 系列 IPM 通過第 7 代 IGBT 技術和驅動該技 術的控制電路技術,與 V 系列 IPM 相比,損耗降低了約 7% 以上。同時,通過改善第 7 代封裝技術和控制電路,將 連續工作時的芯片結溫 Tvjop 范圍從 V 系列 IPM 的 125 ℃ 擴大到了 150 ℃,使高溫運行成為可能。通過這些改進, 輸出電流可增加約 31%。 另一方面,在保護功能方面,具有業界首創的溫度警示 功能。利用該功能,可將 IGBT 芯片處于過熱狀態的信息作 為警報通知外部。由此,有助于提高性能,如縮短電力轉換裝置的故障停機時間等。


 主要功能和特點 3.1 降低損耗的舉措 為改善電力轉換裝置的轉換效率,降低 IPM 的損耗非 常重要。損耗取決于 IGBT 和 FWD(Free Wheeling Diode)等半導體芯片的特性和驅動它的控制電路的性能。 圖 2 所示為 IGBT 芯片截面結構的比較。與第 6 代 IGBT 相同,第 7 代 IGBT⑶ 采用了表面具有微細化的溝槽 型柵結構,背面具有電場終止(FS)層的薄晶片 IGBT。與 第 6 代 IGBT 相比,通過讓芯片厚度變薄,改善了導通電壓(集電極與發射極飽和電壓)和關斷損耗。另外,通過 優化表面的溝槽型柵結構,增強了提高表面側載流子濃度 的 IE(Injection Enhanced)效果,改善了導通電壓和關 斷損耗的權衡關系。與標準的 IGBT 模塊中搭載的 IGBT 相 比,IPM 用 IGBT 表面結構更加優化。該方法是內置了短路 保護功能才得以實現的 IPM 特有的改善方法。因此,權衡 得到了進一步改善。圖 3 所示為集電極與發射極飽和電壓 V CE(sat) 和關斷損耗 Eoff 的權衡。關斷損耗相同時,IPM 用 第 7 代 IGBT 導通電壓比 IPM 用第 6 代 IGBT 降低了 0.25 V, 比模塊用第 7 代 IGBT 降低了 0.15 V。但是,因通過表面 結構的微細化,降低了導通電壓,使電流流動順暢,所以短 路電流增加。因此,通過提高短路保護的速度改善了權衡。 并且,為降低開關時的開通損耗,X 系列 IPM 在 IGBT驅動電路中搭載了開通驅動能力切換功能。這是一種增加 高溫時驅動 IGBT 的電流的功能,降低了高溫時的開通損耗。 另外,通過實時檢測 IGBT 芯片的溫度,可在最佳時機進行 切換。此外,為了不對與開關損耗處于權衡關系的放射干擾 產生影響,優化了驅動電流值。圖 4 所示為 IGBT 驅動電路 的驅動能力切換功能對開通損耗的降低效果。通過切換驅動 能力,開通損耗降低了約 24%。 圖 5 所示為產品額定值為 650 V/150 A 的 PWM 變頻 器動作時的損耗仿真結果。通過上述特性改善,與 V 系列 IPM 相比,X 系列 IPM 的總損耗在載波頻率為 5 kHz 時改 善了約 11%,在載波頻率為 10 kHz 時改善了約 7%。

3.2 保護功能特性 表 2 所示為 X 系列 IPM 與原有 V 系列 IPM 保護功能 的比較。X 系列 IPM 的特點為短路保護功能的高速化與警 報輸出功能的改善、內置溫度警示輸出功能、報警時制動部 分獨立動作。 如 3. 1 節所述,IGBT 芯片表面結構的微細化可改善 IGBT 的權衡,最大限度地發揮芯片性能。但是,因 IGBT 芯片的短路電流增加,所以有必要在無誤檢測的前提下進行 短路保護的高速化。因此,在快速抑制短路電流的峰值電流 的同時,可通過優化斷路延遲時間,防止誤檢測引起的誤動 作。

另外,關于業界首次搭載的報警原因識別功能,在 X 系列 IPM 中,通過將每個報警原因的識別范圍從 0.1 ms 擴大到 1.1 ms 以上,從而提高了報警原因識別功能的識別 性。這樣,可進行警報輸出時的原因分析、原因調查的簡易 化和迅速化。 此外,作為警報輸出的新功能,X 系列 IPM 設置了下 橋臂保護動作時制動單元 IGBT 的獨立動作。原有的 IPM 如果下橋臂一旦檢測到異常并輸出警報,則會成為停止下橋 臂所有動作的電路邏輯。此時,因制動單元的動作也已停止, 所以無法通過制動電路再生旋轉的馬達中產生的能量,存在 P-N 間電壓上升的問題。X 系列 IPM 下橋臂的變頻器單元 在檢測到異常并輸出警報時,制動器單元也可以動作,從而 解決了上述問題。因此,可抑制電機的功率再生引起的主電 源 P-N 間電壓的上升,防止半導體器件的過電壓破壞。并 且,與原來一樣,制動單元異常時,也可保護制動單元和其 他下橋臂的變頻器單元。

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3.3 溫度警示輸出功能(適用于部分機型)

 X 系列 IPM 在業界首次搭載了溫度警示輸出功能。該 輸出功能監視 IGBT 芯片的溫度,一旦達到規定的溫度以 上,則將芯片過熱狀態作為警報通知 IPM 的外部。圖 6 所 示為溫度警示輸出功能的動作波形。芯片的過熱保護功能 在 IGBT 的芯片溫度超過 175 ℃時啟動,在輸出警報的同 時停止開關動作。另一方面,溫度警示輸出功能在輸出溫度 警示時,可繼續 IGBT 的開關動作。具體而言,機床、電梯 等裝置出現冷卻能力不良(散熱片堵塞、風扇故障、潤滑劑 用完等),X 系列 IPM 內部的 IGBT 芯片溫度超過 150 ℃時, 即向裝置端輸出溫度警示信號。裝置接收到該信號后,可通 過降低施加于 IPM 的負載電流等方法,使 IGBT 的芯片溫 度不超過 175 ℃,避免裝置的停止動作,繼續運行,可在 適當的時機進行裝置維護。

4 高溫運行化與降低損耗的效果 表 3 所示為 X 系列 IPM 與 V 系列 IPM 運行溫度的對比。 X 系列 IPM 連續運行時的 Tvjop 從 V 系列 IPM 的 125 ℃ 擴大到了 150 ℃,最大芯片接合溫度 Tvjmax 從 V 系列的 150 ℃擴大到了 175 ℃。為實現這樣的高溫運行,X 系列 IPM 也使用了高耐熱凝膠和高可靠性焊錫等技術的第 7 代 封裝技術。此外,內置于 IPM 的控制 IC 也在考慮到了不易 受溫度影響的電路方式和高溫時的電遷移的基礎上進行布局 設計,使高溫下的運行成為可能。其結果,在電力轉換裝置 中,可應用于比原來更嚴格的負載條件和低散熱設計。 圖 7 所示為 IPM 搭載于變頻器這一典型電力轉換裝置 時的變頻器輸出電流與芯片結溫的對比。X 系列 IPM 通過 擴大連續運行時的 IGBT 芯片結溫和降低損耗,與 V 系列 IPM 相比,輸出電流可增加約 31%。

5 后記 以上,對第 7 代“X 系列”IGBT-IPM 進行了論述。本 產品在最新一代的 X 系列 IGBT、FWD 以及新控制 IC 開發 的基礎上,通過采用高散熱、高可靠性封裝,實現了小型化、 低損耗化和高性能化。通過將傳統產品替換為第 7 代“X 系列”IGBT-IPM,可實現電力轉換裝置的高效化、小型化、 低成本化,有助于今后電力轉換裝置的進一步普及,也能為 全球能源問題的解決做出重大貢獻。 今后,富士電機仍將繼續致力于開發滿足市場要求的產 品。

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2012年威柏電子榮獲富士電機最佳銷售金獎(暨富士最大代理商獎)
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威柏電子榮獲富士電機半導體最佳銷售金獎(暨富士電機半導體最大代理商獎)

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