富士电机:车规级IGBT模块的应用现状

2019-10-07 21:29:16 Westpac Electronics

经国务院批准,世界新能源汽车大会(WNEVC)于2019年7月1-3日在海南博鳌隆重召开。大会着眼于全球汽车产业的转型升级和生态环境的持续改善,通过聚集全球专家智慧和产业精英,共同交流探讨新能源汽车在技术创新、产业创新、政策创新、市场模式创新等领域的成功经验与发展趋势,凝聚产业共识,明晰汽车产业转型升级的方向,探索电动化、智能化、共享化协同发展的有效路径。在“先进电驱动技术”的主题峰会上,富士电机汽车半导体研发部部长TAKENOIRI Shunji发表了演讲,内容如下:


新能源汽车大会


谢谢刚才的介绍,我也非常高兴来到这里做演讲,我今天演讲的主题是车规级的IGBT模块的应用。我的名字叫做SHUNJI  Takenoiri,有点难读,我的公司是富士电机。我想给大家讲讲功率半导体,之后会讲讲整个的IGBT的模组,第一部分,市场的情况和功率半导体。因为现在二氧化碳增长的量越来越大,所以我们要怎么样才能通过目前功率半导体来提高整体的环境质量?这个图上可以看到在日本、美国、欧盟和中国有不同的减排目标,我们在2013年都可以看到大家都是在致力于减少温室气体排放的,而新型的能源和技术的使用则是减排的关键。在我们公司,我们2013年的减排目标则更加雄伟,希望减少31%。所以是比我们的国家标准还要高的,在做供电半导体的时候,通过我们这个技术的使用也会减少二氧化碳的排放。那接下来,我们来看一下温室气体减排的比例,温室气体排放的比例看是哪一个行业排放得更多,我们提供这种供电的产业用级设备,另外我们还给汽车行业提供模组。IGBT的模组也在不同的领域得到了利用,比如说有工业级的模组,他们都是可以帮助我们提高性能节省能源,同样也可以帮助我们减少温室气体的排放。

看一下这个图,其实我在之前也看过类似的图。这个图是全球相关排放的管理标准,这其实就包括未来的标准和目标,这是从ICCT的白皮书上摘抄下来的。那这个乘用车的二氧化碳排放量要大大地降低。这是预计的生产产量,从2017年到2023年,上涨只有2%,主要就是电车。所以你会看到这个电车的比重还是比较小的,但是整个作为市场的吸引力还是很大的。说到供力的半导体,它的性能比较好,效率比较高,比较可靠,而且它比较小比较紧凑,也就是说需要的空间比较小,而且比较轻,所以它也比较节能,那这四个加在一起都是比较重要的性能。它不光是比较便宜的客机,同样在封装和控制方面也都是非常有优势的。那这个给大家展示了一下我们的汽车产品,汽车产品其中就包括IGBT模阻,其中还有控制器,另外还有一些小型的模组,还有发动机的控制器,所以半导体的使用越来越多,而且在具体方面也有比较大的进步。我一开始讲到温室气体的减排,其实现在的管理条例和全国的标准都在加紧收缩收严,与此同时,我们现在有很多的技术创新来解决这些问题,而汽车行业也在推动技术的发展来解决这些问题,并且满足这个管理的标准。比如说在IGBT的模组里面左下角,那我们要去提高效率或者补组效率不足方面也做了很多的改进。这也是我们在可靠性方面做的更好的设计。

最后,我们希望能够实现一个最佳的效果,实现更高的性能和质量,我们控制这个过程设计,控制检查,另外我们还要在可靠性的工程方面进行更好的分析。从质量方面和过程设计方面都希望达到更好的效果,给大家提更好的产品,这个部分给大家讲一下IGBT模组的特性和性能,它有散热的性能,(三角形Diot)T主要是在讲这些温度,这些芯片所受的温度是有限制的,这就是有热的产生,发现它的体积比较小,因为使用了半导体。所以芯片加大减少了阻力,但是也会增加成本,但是讲到导电性能的变化,所有的问题是可以通过改变IGBT的性能来改善的。那在这边,我给大家展示一个图,展示了直接和间接水冷却的方法,我们是使用部分的废水来进行冷却,有直接和间接两种方式。你可以看到这个直接的方式,基座直接与冷却器连接到一起的。那么刚才已经讨论了模组的特性,主要就是使用RC  IGBT,使用芯片上的传感器(内置传感器)和直接的水冷却法,首先我讲一下冷却器的结构。这个地方是和外壳整合在一起的,这个地方大家可以看到这个图表,可以看到平台一是铝线,那另外的一个使用的是另外一个模组。第二个模组将会在今年下半年推出,介绍了一下M653,这是我们刚才说的平台模组,这是铝线的,现在已经投入生产,M653是750伏、800A的IGBT,除此之外呢?它的电流和温度的传感器都装在芯片上,可以进行实时的感知,再讲到水冷却。它其实就是用户可以通过与产品的简单连接来进行冷却,这边介绍了一些比较具体的参数和性能。那这个部分就是动力密度方面的趋势,你会看到这儿有几条线,我们通过对比,使用全球性的标准去对比其实性能是四倍以上的,5-6倍的。那说到车用呢?车级规的话,它的冷却性能很好,但是模组性能更低,我们摩阻当中提高了冷却性能,把直接和间接的方式整合在一起。说到下一代的仪器,我们还会用Pin结构的冷却系统,我们之前把冷却从开放式变成闭合式,这影响了我们的系统。如果在这种情况下,你要保持性能的话,你就要保证Pin真的不会碰到外壳。

下面这个图就展示了,在右边就展示了闭合性的。在这个闭合里面,你会发现针就被包含在里面了,那就没有这个问题。所以它在变慢的时候就会变蓝。所以你会发现它这个针与外壳之间有一定距离的时候,它的颜色会变,而且它的冷却性能会减少,但是在右边这边的话,你会看到它的性能是不一样的,所以你会发现这个热阻力就一下减少了30%,在这个地方会有展示。那除了这个形式的改变,我们还做了其他的改变,比如说我们把材料从铜变成了铝,如果这个铜的使用量在这个模组里面的使用量比较大的话,那它的重量就比较大,所以我们用了铝以后,这个量减少了60%。然后我们看看它右边这个图也是对比了使用铜和使用铝的区别,铜基和铝基的区别,可以看到它的热扩张系数,不同的材料热扩张系数是不同的,这样的话,如果说热扩张系数太少的话就会降低减少整个模组的生命周期。所以我们就通过增强焊接的力度来提高整体的稳定性。下面给大家简单介绍一下怎么样来提高IGBT芯片的性能的,我们芯片的大小横轴是年份,我们可以看到1990的时候是第二代,它那个时候还是100大小,随着时间的发展,这个芯片的大小是越来越小的,但是它的性能是越来越高的,在第八代芯片的时候,芯片的大小大概减少20%,而且废物的排放也会减少20%。所以随着通过这样的技术改造就让整体模组的大小变小,但是功率密度却有所上升。出去我们把它分开来看,可能会得到一个结果,如果把IGBT合在一起当做一个整体来看是另外一个结果,比如说IGBT和FWD放在一起,中间那一行是芯片的布局,最后一行是热量产生的情况。我们可以看到在IGBT和FWD他们分别产生的热量都是有一部分是集中的地方。我们会对此进行干预,然后也会减少热阻力,以此来减小模组的大小和模组的成本。

这样一来,因为我们降低了它的热阻力和热阻性,所以就可以提前预防过热的情况。这样的话等于就是我们克服了这方面的技术难题,可以运用于大规模设计。对于整个行业的生产也会有所贡献,然后这一幅图是我们IGBT整体的热阻力减少带来的优点,中间的话,我们可以看到经过改善和改良之后,我们热量的数一下从一个集中过热的情况到了完全绿色没有过热的经过,本来的话,热量只是传导到一个芯片,在IGBT的模组放到一起,热量会均匀分散到不同的芯片之上。因此,可以降低12%的热阻量。所以FWD的芯片也会因此减少。因此,这个技术对于IGBT,因为它可以将整体的热量产生减少40%。

这个部分想跟大家简单说一下I2T的稳定程度,通过这样的改善可以提高整体的运营效率,因此我们必须要考虑I2T的的耐度,这也是非常关键的一环,我们将I2T耐力和FWD进行比较,这幅图让我们可以看到从接线的形式改成框架的形式是非常有好处的。如果讲IGBT与FWD接线相连的话,我们可以看到下面左下角的图是这样的一个功率路径。如果我们采用框架式连接就是右图的一个结果,所以在同样的一个区域,我们会发现使用RC-IGBT的话加上框架式连接可以大大地提高它的载能,使用RC-IGBT的话,如果改成从接线模式改变框架模式可以提高33%的效能。整体的载能可以提高2.4倍,就是把FWD和IGBT通过框架的形式联结。

最后,跟大家简单介绍一下我们芯片上装的传感器。我们之前跟大家介绍过了我们的温度传感器。温度传感器是由很多部分构成的,然后通过这样的温度传感器可以感知到温度,使用这样的温度,芯片上的温度传感器可以通过RC-IGBT的可允许电流,会比使用NTC的时候要高,而且当温度升高的时候,这个芯片上的温度传感器会立刻做出反应。而NTC这套设备的速度会更慢,反应速度没有那么快,本来这个温度过热就是我们在使用该模组的时候最需要注意的一个点,所以从另外一个角度来看,我们使用芯片上本身就有的温度传感器可以大大减少其边际成本,尤其是在我们有大量数据的情况下,在这个图上,大家也可以看到,在芯片上内置的温度传感器和NTC之间有13%,而且使用芯片上的温度传感器占用的空间也更加小。

这张图可以给大家看到超高温的时候非常精确的温度感知。我们使用这样最先进的智能门驱动就可以更好地控制温度的边际。然后这样的话,我们使用这样的温度传感器去收集温度数据,可以同时把握高温的上线和低温的下线。所以我们可以看到我们归置预测的这条线和实际测出的这条温度线是基本上重合的,而且输入的这个数字一般都是整数,设置的温度也包括了测量这部分。我们通过这样的最先进的温度传感器可以大大提高温度感知的精确度,所以今天像我们的IGBT使用铝和我们的传感器,我们希望通过我们这样的产品更好地减少全球变暖和温室气体的排放,并且为社会带来更多的福祉,我们希望未来为科技能源和创新的发展作出我们的贡献。


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