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富士电机功率半导体的现状与展望

富士电机功率半导体的现状与展望

富士电机以“在能源与环境事业中为实现可持续发展社会做贡献”为经营方针,在包括供应链在内的整个企业活动中推进SDGs,致力于解决气候变暖为首的社会与环境课题。

为实现这一目的,提高在各系统中电力电子设备的效率、以及驱动这些设备的功率半导体器件的性能就变得尤为重要。

富士电机 | 功率半导体应用领域

富士电机可根据使用用途提供各种功率半导体器件。

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1、小容量设备领域

富士电机开发了家电产品电机驱动系统小容量IPM、功率调节器和不间断电源装置等电力转换用产业用IGBT、电力转换用超结SJ-MOSFET。

2、中容量设备领域

富士电机推出了可用于通用变频器、机床与机器人的伺服电机控制、商用空调的电机控制、UPS电力转换等产业用IGBT模块。

如今,世界各国开始从汽油车向xEV转换,预计今后车载用功率半导体的需求也会因此扩大。而在车载用途方面,富士电机已经拥有了可用于xEV电机控制的IGBT模块。

3、大容量设备领域

我们可提供如风力发电等可再生能源的电力转换、铁路车辆电机的可变速驱动中所用的IGBT模块等。

此外,我们还开发了具有低损耗、高耐压、可高温工作等卓越特点的下一代功率半导体——碳化硅(SiC)功率半导体器件。

下面将对富士电机在功率半导体开发方面的先进成果进行简单举例总结。

第7代“X系列”产业用

1200V/2400A RC-IGBT模块

通过对芯片和封装的技术革新,富士电机实现了第7代“X系列”IGBT模块的产品化,并凭借IGBT模块的低损耗化和高可靠性,实现了高功率密度化。

此外,我们还开发了一种使IGBT和FWD单芯片化的RC-IGBT,它在损耗降低的同时还可减少芯片数量和总芯片面积,以实现更高的功率密度。

我们会将此次开发的搭载了RC-IGBT的1200V/2400A额定PrimePACK™3+加入到产品系列中。

PrimePACK™:

Infineon Technology AG的商标或注册商标。

通过可大幅降低集电极、发射极饱、电压VCE(sat)的X系列芯片技术,和应用了可改善饱和电压与开关损耗权衡关系的高度优质的薄晶圆加工技术,电力损耗比传统产品降低了16%。

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此外,X系列RC-IGBT模块还大幅降低了热阻,在相同条件下可实现更高的额定电流。

同时,由于采用了高耐热硅胶,它能将连续工作时的最高结温提升至175℃,有效保障了其高可靠性。

第2代1200V All-SiC模块

产品系列扩大

目前,使用了Si的功率半导体器件特性已接近其材料物性的理论研究界限,因此,SiC作为可超越Si的下一代半导体材料备受瞩目。

2017年,富士电机向市场推出了All-SiC 2in1模块,该模块将“采用沟槽型栅结构的第1代SiC-MOSFET芯片”搭载在全模封装中,额定容量为1200V/400A。

现今,为扩展该产品系列,富士电机使用Si-IGBT模块的标准封装 (W:108mm D:62mm),开发了确保外形和端子配置兼容性的All-SiC 2in1模块,采用第2代SiC-MOSFET芯片,将额定容量扩展到1200V/600A,封装主端子部分采用层压结构,降低了内部电感。

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仿真结果表明,与Si-IGBT模块相比,此次开发的All-SiC模块在输出电流Io(rms)=200A的条件下,载波频率在5kHz、20kHz时可降低较多变频器功率损耗。

因此,利用此模块可以降低损耗,以实现高密度化和大容量化。

另外,通过开关的高频化,可使用小型无源器件,使电力电子设备实现小型化。

采用小型封装“P644”的

第7代“X系列”IGBT-IPM

IPM是在“由IGBT和FWD构成的IGBT模块”中内置了IGBT栅极驱动电路和保护电路的高性能IGBT模块。

为满足电力转换装置进一步小型化、高效率化、高输出化的要求,在应用第七代芯片技术和封装技术的“X系列”IPM系列中,我们使用了行业高效减少尺寸级别的“P644”封装。

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X系列IPM“P644”的产品系列中:

额定电压650V系有50A和75A

额定电压1200V系有25A和35A

与同范围的V系列IPM 7in1“P636”相比,

冷却器上的模块设置面积缩小了12%。

另外,X系列IPM还具有以下优势:

1、通过表面沟槽型栅结构的微细化和薄晶片的加工技术使漂移层变薄。同时借助应用第7代芯片技术改善了IGBT关断损耗和导通损耗的均衡特性,并对降低开关时的开通损耗的栅极驱动电路进行优化等手段,大幅降低了功率损耗。

2、为实现高温工作,本产品采用了高耐热凝胶和高可靠性焊锡等,将Tvjop从V系列的125℃扩大到了150℃。

3、在下桥臂保护动作时,制动单元IGBT可独立动作,从而防止半导体元件过电压而造成破坏。

借助上述新技术,X系列IPM与V系列相比,除小型化的优势外,还实现了更高的输出功率。

本文对富士电机在功率半导体开发方面的先进成果进行了简单介绍。

当前社会对节能化、低碳化、无碳化等环境问题的关注日益高涨,电力电子是应对上述问题的关键技术,而功率半导体正是电力电子中的关键器件。今后,本公司会继续通过技术革新,为实现可持续发展的社会做出贡献。

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