FUJI-富士电机 第2代小容量IPM650V/50A、75A的系列化

近年来，在地球环境问题中，为了应对温室气体排放规定，以节省能源和节省资源为目的的小型化要求不断增强。富士电机推出了集成变频器电路组成所需要的功率器件及控制IC的第2代小容量IPM650V/50A、75A系列产品。本产品采用了“X系列”IGBT芯片技术，相比以往产品实现了更低损耗，同时采用了高耐热封装技术，将最大工作温度提高到了150℃。由此提高了设备的节能性，实现了更大的输出电流和框体的小型化。

/ 产品概要 /

图1 产品外观

表1 产品的主要特性

图1是产品的外观，表1是产品的主要特性。外形尺寸为79.0×31.0×7.8（mm），采用双列直插结构，绝缘性符合UL1577标准。规格为650V/50A、75A，每种电流规格下根据有无过热保护功能又各包含2种型号。

图2 内部等效电路

图2是2G-IPM的内部电路结构。2G-IPM是由6对低损耗IGBT和高速FWD组成的三相变频电路。下臂IGBT是自带电流检测的IGBT（电流检测IGBT：为了实现过电流保护，内置了主电路电流检测功能的IGBT）驱动电路搭载了1块驱动下臂IGBT的LVIC芯片，和3块驱动上臂IGBT的HVIC芯片。另外还搭载了3块BSD芯片，通过连接三个外接电容器可组成上臂驱动电源。因此，不需要外接绝缘电源，节省了安装基板的空间。

/ 产品设计 /

▋器件设计

1.IGBT设计

图3 IGBT芯片截面结构图的比较

图3是第1代小容量IPM（1G-IPM）用的IGBT芯片和2G-IPM用的IGBT芯片的截面结构比较。用于2G-IPM的IGBT芯片，是以X系列IGBT的薄晶圆和微细化技术为基础。同一芯片上除了流过主电流的部分之外，还集成了用于检测主电流的分流部分，以实现更好的过流保护。

图4 VCE(sat) - Eoff均衡特性

图4是IGBT导通电压VCE(sat) - 关段损耗Eoff的均衡特性。本产品对漂移层的电阻率、厚度、电场终止(FS)层的属性及表面通道密度进行了优化，相比1G-IPM用IGBT芯片改善了Vce(sat)，Eoff损耗降低了约56%。

2.FWD设计

图5 dvr/dt-Err均衡特性

图6 反向恢复电压的FFT解析结果

FWD芯片的主要课题，一般是对产生干扰的反向恢复dvr/dt-Err的均衡特性，图5是dvr/dt-Err的均衡性，图6是用于1G-IPM和2G-IPM的FWD芯片在反向恢复时电压波形的FFT解析结果的比较。本次采用的FWD以X系列的FWD芯片技术为基础，对阳极扩散属性及寿命控制进行了优化，并通过软恢复特性，对均衡性进行了改善。通过以上改善，相对于1G-IPM。Err降低约55%，dvr/dt抑制了约15%，干扰预计可以降低10dbB左右。

▋封装设计

图7 封装结构的截面图

图7是封装结构的截面图。封装与目前正在量产的2G-IPM相同。通过该种结构，在绝缘层使用了含树脂的铝绝缘基板，因此保证了和密封树脂之间的高粘合度。另外，1G-IPM中芯片发热会经过绑定线传至引脚，因此存在引脚温度高的问题，通过采用使封装内部绑定线的发热散热到铝绝缘基板的结构，降低了引脚温度的上升。

表2 可靠性测试结果（主要项目）

表2是主要的可靠性测试结果。额定650V/50A、75A的2G-IPM，为了保证和以往相同的可靠性，通过增大铝绑定线的直径，增厚铜箔等，抑制了随着容许电流增大产生的发热，同时对组装工艺进行了优化，降低了随着封装大型化而产生的内部应力。

▋保护功能设计

图8 过电流保护电路

图8是过电流保护电路。在本次开发的2G-IPM中，作为实现过电流保护、短路保护手段，除了有和1G-IPM一样、图8（b）所示的外部分流电阻方式之外，还增加了图8（a）所示的通过采样电阻Rs对IPM内置电流检测IGBT中流过的电流进行检测的方式。在使用电流检测IGBT与Rs检测的方法中，由于可以减少分流电阻的个数，因此可降低系统成本以及节省安装基板的空间。

/ 2G-IPM的效果 /

图9 使用额定规格为650V/50A的2G-IPM、6马力PAC假想中间负载时损耗的估算结果

图9是针对相当于6马力的商用空调（PAC），其处于中间负载时对变频器损耗进行的估算结果。本次开发的2G-IPM，和1G-IPM相比损耗降低了约32%，有望实现APF的提高。

图10 使用额定规格为650V/50A的2G-IPM、6马力PAC假想最大负载时损耗的估算结果

图11 使用额定规格为650V/50A的2G-IPM、6马力PAC最大负载时温度上升的估算结果

图10该型号设备在最大负载时对变频器损耗的估算结果，图11是此时温度上升的结果。在最大负载条件下，与1G-IPM相比损耗降低了约27%。而且温度上升降低了约20℃。此外，将工作保证温度范围提高25℃，还有助于增加输出电流、实现框体的小型化。

以上对第2代小容量IPM650V/50A、75A的系列化进行了说明。今后，大型空调、工业用变频器和伺服系统的需求将不断扩大，本产品便是满足这些需求的产品之一，将来还会考虑将该系列扩大到1200V。

富士电机今后也会将实现系统整体节能作为使命，开发实现进一步差异化的产品。

文献来源：岡山　健一等.专辑：有助于能源管理的功率半导体.富士电机技术期刊2019，Vol.C11 NO.1，P14~P17.