功率半導體的現狀與展望Power Semiconductors: Current Status and Future Outlook

2020-10-26 09:06:28 Westpac Electronics 1614

隨著人口與經濟的增長,全球的能源消耗量日益增加。國際社會通過了可持續發展目標 SDGs 和全球變暖對策的
國際框架《巴黎協定》,為兼顧經濟增長和社會與環境課題的解決,作為社會中的一員,企業也需要采取積極行動。
富士電機也在根據《巴黎協定》制定的日本全球氣候變暖對策計劃等基礎上,制定了包括“實現低碳社會”、
“實現循環型社會”、“實現自然共生社會”在內的環境展望2050,整個供應鏈一起致力于解決社會與環境課題。在
所采取的舉措當中,功率半導體是創造能源穩定供應、自動化、節能等重要價值的產品。

FUJI富士IGBT威柏德電子

一直以來,富士電機都致力于能源技術的革新。作為能夠穩定且最高效利用能源的電力電子設備,功率半導體
扮演著關鍵的角色,富士電機積極開發并推出了功率半導體產品。近年來,為抑制 CO
2 排放量,實施全球氣候變
暖對策,除了迅猛發展的節能化外,各國還希望擴大太陽能發電和風力發電等可再生能源,并且在今后數十年內禁
止汽油車和柴油車的銷售,引進電動汽車(xEV),從而實現低碳化,最終實現無碳化。為此,富士電機將通過推
出適應以上需求的產品,進一步對社會做出貢獻。

FUJI富士IGBT威柏德電子2 富士電機的功率半導體
富士電機開發了面向各種用途的功率半導體產品。
1
是富士電機的功率半導體產品的應用示例。
針對小容量市場,富士電機開發了空調等家電產品的電機驅動用小容量 IPM
(*1)
(Intelligent Power Module)以及基于住宅用空調技術、實現了 xEV 所需性能
的汽車空調用 IPM。此外,還開發了用于功率調節器
(PCS :Power Conditioning System)、不間斷電源裝置(UPS :Uninterruptible Power System)等以電力轉換為主要用途的分立器件
(*2)
IGBT
(*3)
(Insulated Gate Bipolar Transistor)和用于各種設備的電能轉換單元的 SJMOSFET
(*4)
(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect
Transistor)產品。在 SJ-MOSFET 產品方面,不僅開發了工業用途的產品,還開發了用于發動機、傳動裝置和
制動器等控制用途,以及 xEV 充電器的電力轉換和控制用途的產品。另外,為控制以 LED 照明為首的各種電子
設備的開關電源,開發了電源 IC 產品。同時,還開發了用于汽油車的進氣系統、排氣系統、發動機、傳動裝置、
動力轉向裝置、制動器等油壓控制單元的壓力傳感器、用于汽油發動機點火控制的單芯片點火器。
面向中容量市場,開發了通用變頻器用途、機床和機
器人的伺服電機控制用途、商用空調的電機控制用途、用
于 UPS 電力轉換等工業級 IGBT 模塊,以及用于 xEV 的電機控制的汽車級 IGBT 模塊等產品。
面向大容量市場,開發了太陽能發電和風力發電等可再生能源的各種電力轉換,鐵道車輛電動機的可變速驅動
裝置用 IGBT 模塊等產品。
另外,針對各種用途,也在開發與 Si 器件相比,具有耐高溫、低損耗、高耐壓等優良特性的碳化硅(SiC
(*5)

器 件, 以 及 組 合 了 Si-IGBT 和 SiC-SBD
(*6)(Schottky
Barrier Diode)的 SiC 混合模塊等產品。
3 功率半導體的開發情況
以下,關于2 所述富士電機開發的功率半導體,
對其最新開發進展進行簡單介紹。
3.1 第 7 代“X 系列”IGBT-IPM
富士電機開發出第 7 代“X 系列”的半導體芯片與封裝,推出了低損耗、高可靠性的 IGBT 模塊產品。IPM 是
在一個 IGBT 模塊中內置驅動功能和保護功能的產品。因為可以在預設的最佳條件下驅動 IGBT,所以能減輕驅動
電路和保護電路的設計負擔。富士電機在業內首次推出內置 IGBT 芯片過熱保護和報警原因識別功能的 IPM 產
品,來應對 IPM 高性能化和高可靠化等要求。為滿足變頻器進一步小型化、低損耗、高性能的要求,新開發了第
7 代“X 系列”IGBT-IPM(X 系列 IPM)。
X 系列 IPM 采用 RC-IGBT
(*7)
(Reverse ConductingIGBT)技術,新推出了在冷卻器上的設置面積比原來的最小封裝縮小 27%,以及相同的電流容量下,在冷卻器
上的設置面積比傳統產品縮小 54% 的新封裝產品。另外,原來的第 6 代產品“V 系列”IPM

,額定電壓為 600 V的產品其電流最大到 400 A,額定電壓為 1200 V 的產品其電流最大到 200 A,但 X 系列 IPM,額定電壓
為 650 V 的產品其最大電流可到 450 A,額定電壓為1200 V 的產品其最大電流擴大到了 300 A。
X 系列 IPM 通過第 7 代 IGBT 芯片技術與外圍驅動控制電路技術的組合,與傳統產品 V 系列 IPM 相比,損
耗可減少大約 7% 以上(
圖 2)。另外,通過第 7 代封裝技術的應用和控制電路的改善,將連續工作時的芯片接合
溫度 T
vjop 的范圍從 125 ℃以下擴大至 150 ℃以下。通過這些技術,輸出電流可增加約 31%。此外,還業內首
創內置了 IGBT 芯片過熱狀態的外部溫度報警功能,可
以將 IGBT 芯片過熱狀態作為警報通知外部(參照 12 頁,
“第 7 代 X 系列 IGBT-IPM”)。
3.2 第 2 代 SiC 溝槽型柵 MOSFET
作為下一代功率半導體材料,SiC 備受期待。SiC 的絕緣損壞耐量約為 Si 的 10 倍,因此可在確保器件高耐
壓的同時,通過薄化和漂移層的高濃度摻雜,可降低導通損耗。并且,通過采用 MOSFET,可降低開關損耗,實
現高速開關。通過發揮 SiC 器件的以上優異特性,可得到比 Si-IGBT 體積小且功率密度大的模塊。
在發揮 SiC 器件優異特性的基礎上,富士電機開發了針對中小容量市場的產品和配電設備等大容量帶的產品
⑵,⑶
。
面向這些產品,SBD 和平面型 MOSFET、SiC 溝槽型柵MOSFET 已在量產。比平面型 MOSFET 閾值電壓高和
導通電阻低的第 1 代 SiC 溝槽型柵 MOSFET 已開始量產,性能優于第 1 代的第 2 代 SiC 溝槽型 MOSFET 也已開
發完成。將額定電壓為 1200 V 的產品比較后發現,在相同柵極閾值電壓下,與第 1 代 SiC 溝槽型柵 MOSFET
相比,第 2 代 SiC 溝槽型柵 MOSFET 的單位面積導通電阻降低了約 23%(
表 1)。此外,利用獨創的技術,可
防止因向體二極管通電而導致的導通電阻上升,提高了可靠性(參照 17 頁,“第 2 代 SiC 溝槽型柵 MOSFET”)。
3.3  搭載有第 2 代 SiC 溝槽型柵 MOSFET 的 AllSiC 模塊
富士電機對具有上述優異 SiC 特性的模塊進行了產品化。2014 年,針對兆瓦級太陽能用 PCS 的升壓電路,
開發了搭載平面型 MOSFET 的全模封裝斬波模塊。此后,也在繼承該封裝概念的基礎上開發新結構封裝,開發
了搭載第 1 代 SiC 溝槽型柵 MOSFET 的模塊產
⑵,

⑷,⑸
。此次,為更加靈活地應對電力電子設備,開發出了在與傳統Si-IGBT 模塊具有相同外形的端子配置的封裝中搭載第
2 代 SiC 溝槽型柵 MOSFET 的產品。如果將此次開發的 62 mm 寬的 Si-IGBT 兼容封裝產品代替 Si-IGBT 產
品安裝在變頻器上,損耗會降低 78%。而且,在芯片溫度相同的情況下,輸出電流可增大至約 2 倍。此次,產
品陣容計劃小容量帶為 Small 1B、Small 2B 封裝,中容量帶為 62 mm 封裝,大容量帶為 HPnC 封裝,并將
使 All-SiC 模塊可靈活地應用于電力電子設備上(
表 2)(參照 21 頁,“搭載有第 2 代 SiC 溝槽型柵 MOSFET 的
All-SiC 模塊)”。
3.4 汽車空調用 IPM
富士電機的家用空調用小容量 IPM,同時實現了高節能、小型化、低干擾及高可靠性。與家用空調相比,汽
車空調雖然空調容積小,但車輛的隔熱性能低,因此空調系統的壓縮機負荷并不小。汽油車壓縮機的驅動是通過發
動機進行的。近年來銷量迅速增長的 xEV,其壓縮機的驅動是通過耗電量達數 kW 的馬達進行的。因此,壓縮
機驅動用馬達直接連接在與行駛用電池相同的高壓電池上,需要其具有高節能性。而且,因壓縮機及變頻器電路
安裝在距離乘客較近的位置,需要降低噪音和振動,所
以汽車空調用 IPM 需要支持高輸出頻率和高載波頻率驅
動。另外,還需要確保包括車輛控制用計算機的干擾控制在內的安全性。此次,以面向家用空調及工業變頻器開發
的第 2 代小容量 IPM
為基礎,開發了可實現上述 xEV 用
器件所要求性能的汽車空調用 IPM。為降低 IGBT 的導通損耗,進一步抑制了 IGBT 及 FWD
(*8)(Free Wheeling Diode)關斷時的浪涌電壓,使降低開關干擾和降低損耗得
以兼顧。
圖 3 所示為 FWD 的關斷浪涌電壓和關斷損耗的均衡特性。在關斷損耗大致相同的情況下,關斷浪涌電壓
降低了 53%。并且,為確保汽車級品質,對封裝也進行了優化設計(參照 25 頁,“汽車空調用 IPM”)。
3.5 xEV 用第 4 代鋁制直接水冷封裝技術
富士電機正在開發面向 xEV 行駛電機驅動用變頻器
的模塊。此前,已經利用集成了 IGBT 與 FWD 的 RCIGBT 和鋁制直接水冷模塊等,開發了小型的高電流密
度模塊

。此次,開發了電力密度比傳統產品更高的第 4代鋁制直接水冷結構(圖 4)產品。第 4 代鋁制直接水
冷結構繼承了第 2 代所采用的散熱器與水冷套一體化結構。將第 3 代所采用的二維流路形狀變更為三維流路形
狀,可提高冷卻水的流速,優化底板厚度,使芯片到冷卻水之間的熱阻降低 10%。并且,通過使用導電率高的銅
引線框架代替傳統的鋁配線,減小了安裝面積。此外,在引線框架結構中,利用高熱傳導率和大接合面積,可通過
結合面的熱擴散效果降低芯片溫度。采用這些技術的第 4代鋁制直接水冷結構,與第 3 代結構相比,單位體積的
電力密度可提高 36%(參照 29 頁,“xEV 用第 4 代鋁制直接水冷封裝技術”)。
3.6 面向 xEV 的 DC/DC 轉換器用模塊
除 3.5 節所示的行駛電機驅動用變頻器外,xEV 還搭載了 DC/DC 轉換器等電力轉換裝置,代替汽油車中
以發動機為原動力發電至電裝部件用的交流發電機。該DC/DC 轉換器進行電壓的轉換,可從高壓主電池輸出至
電裝部件供電用的低電壓電池。使用通過工業級小容量模
塊孕育的技術,富士電機開發了面向 xEV 的 DC/DC 轉換器用模塊(圖 5)。由分立器件產品構成的傳統 DC/DC
轉換器使用絕緣片使高壓電池與車身絕緣。本模塊內置了該絕緣功能和多個半導體器件。由此,可進行高密度實裝。
此外,在次級側 SBD 中,為防止浪涌電壓引起的損壞,
傳統產品需要另加浪涌鉗位電路。本產品改良了耐壓結構,
作為開關時浪涌電壓耐量替代特性的反向恢復損壞耐量的容許電流峰值提高至原來的約 3 倍,所以無需另加浪涌
鉗位電路。利用這些技術,DC/DC 轉換器的系統尺寸安裝面積減少了 40 %(參照 34 頁,“面向 xEV 的 DC/DC
轉換器用模塊”)。
3.7 1200 V 分立器件 IGBT“XS 系列”
太陽能發電等可再生能源的擴大導致電力轉換需求增大,信息通信系統的發展導致全球數據使用量增加,在這
樣的社會背景下,對 PCS 和 UPS 的需求不斷增大。對這些設備而言,降低能源損耗是一項重要課題,因此,對
于這些設備中所用的半導體開關器件,也要求有很高的效率。為滿足這些要求,富士電機開發并量產了與傳統產品
“High-Speed W 系列”相比效率得到改善的 650 V 耐壓分立器件 IGBT“XS 系列

”。此次,還新開發了 XS 系
列的 1200 V 耐壓的產品。XS 系列是以第 7 代 IGBT 及FWD 技術為基礎,針對分立器件進行了優化設計的產品,
此次開發的 1200 V 耐壓產品相對于傳統產品 HighSpeed W 系列,導通損耗 VCE(sat) 降低了 0.55 V,均
衡特性改善了 20% 以上(
圖 6)(參照 38 頁,“1200 V分立器件 IGBT“XS 系列”)。
3.8 第 4 代 LLC 電流諧振 IC“FA6C00 系列”
在用于電子設備、輸出電壓為 75 ~ 300 W 級別的開關電源中,廣泛使用了對電源的高效化和低干擾化有效
的 LLC 電流諧振電路。隨著 IoT(Internet of Things)的發展,很多電子設備被連接到了互聯網上,其功耗也隨
之變大。在這種背景下,電源也要求降低功耗,不僅在待機時需要降低功耗,還需要在輕負載時提高效率。富士
電機為 LLC 電流諧振電路開發了各種控制 IC

。此次,除了抑制原來的待機電力外,還開發了可改善輕負載效率 和削減電源部件的“FA6C00 系列”(圖 7)。使用傳統技
術時,如果要提高效率,則會出現變壓器噪聲變大
(* 9)的問題。FA6C00 系列在連續開關控制中新采用高頻突發脈沖控
制技術,在抑制電機噪聲的同時,還使輕負載時的效率提高了約 10%。此外,在輸出電壓控制中新采用諧振電流
相位比控制,可從傳統產品中削減 7 個相位補償電路部件,有助于降低電源系統的成本 ( 參照 42 頁、“第 4 代 LLC
電流諧振 IC‘FA6C00 系列’”)。
3.9 第 7 代汽車級高壓傳感器
為降低環境負荷,xEV 得到了大力推廣,另一方面,汽油車和柴油車等內燃機汽車的節能減排也非常重要。壓
力傳感器用于進氣系統、排氣系統、傳動裝置的液壓監視器等,有助于節能。富士電機致力于開發汽車級壓力傳感
器,推出了用于吸氣系統和排氣系統的低壓傳感器和用于油壓控制單元的高壓傳感器,為降低環境負荷做出了貢
獻。作為高壓傳感器,引擎油壓用第 6.5 代壓力傳感器
已開始量產。此次,富士電機開發了用于傳動裝置和制
動器等油壓控制系統的第 7 代汽車級高壓傳感器。封裝采用不銹鋼隔膜方式,另外,新開發了雙柵極 MOS 晶體
管,進行高耐壓化,降低高溫時的特性誤差(
圖 8),實現了 150 ℃下的動作保證、高精度控制化和基于小型化的
高安裝密度化(參照 48 頁,“第 7 代汽車級高壓傳感器”)。

后記
本文對富士電機在功率半導體開發方面的最新成果進行了簡單介紹。自創業以來,富士電機始終致力于能源
技術的革新,將“通過能源、環境技術的革新,為實現安全安心、可持續發展的社會做出貢獻”作為經營方針之一。
當前,社會對節能化、低碳化、無碳化等環境問題的關注日益高漲,電力電子正是應對上述問題的關鍵技術。功率
半導體是電力電子中的關鍵器件,今后,本公司會繼續通過技術革新,為實現安全、安心、可持續發展的社會做出貢獻。

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