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工业数字化的依赖 谁在“驱动”工业4.0-IPM模块,IGBT模块,SiC模块

技术进步与人力成本上升共同推动了工业制造升级,全球制造业发达地区都制订了相应的发展规划,例如“中国制造2025”、“工业4.0”及“工业互联网”。

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  在工业生产数字化、智能化过程中,我们也不应该遗忘真正“驱动”工业设备运转的半导体元器件,尤其是功率器件。如今,功率器件被广泛应用于各种工业设备中,用来控制、转换与调节系统的电压电流,从MOSFET、IGBT,到新兴的碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)器件,不同类型的功率器件满足了不同工业应用环境的需要。

富士电机开发了IGBT模块作为电动机的可变速驱动装置或不间断电源装置等的电力转换器的开关元件。IGBT是同时具有功率MOSFET的高速开关性能和双极型晶体管的高电压和大电流处理能力的半导体元件。

富士电机IGBT模块 X系列的优点

减少电力损耗,利于节能

本公司第7代“X系列”通过薄化构成本模块的IGBT元件以及二极管元件的厚度,使其小型化,从而优化元件结构。因此,与以往产品相比(本公司第6代“V系列”),降低变换器运行时的电力损耗。有利于运载机器节能和削减电力成本。

实现机器的小型化

运用新开发的绝缘板,提高模块的散热性能。通过与上述(降低电力损耗)配合控制散热,与以往制品相比,约减小36%,实现了小型化※ 1。另外,通过将连续运行时芯片的最大保证温度从150℃升到175℃,可以在保持运载机器尺寸的同时,将输出电流最多增加35%※ 2。因此有助于机器的小型化和降低总成本。

  • ※ 1:1200V 75A PIM 产品的安装面积比

  • ※ 2:本公司验算值

有助于提高机器的可靠性

修正模块的构造和所使用的部件,提高了高温运行时的稳定性和持久性。有助于提高运载机器的可靠性。



  工业应用对功率器件的要求

  面向工业设备的功率器件使用条件比较苛刻,有的应用需要24小时365天无间断运转。瑞萨电子大中国区汽车电子业务中心高级部门专家落合康彦指出,设计与研发功率器件时,必须考虑两点。“一个是损耗特性,由于无间断运转需求,如何减少器件所产生的损耗对工厂电费有直接影响。而且不同应用需要不同的开关频率,工程师需要按照实际开关频率要求,决定有限考虑的是导通损耗还是开关损耗,然后决定最佳的选择;第二是可靠性,特别是无人工厂,器件故障会直接影响到工厂运作造成损失,所以器件耐受性也是需要优先考虑。”

  “工业设备和自动化产线对功率器件有绝对的依赖,这些设备通过功率器件实现能量转换,功能动作的实现也是通过控制功率器件来完成。”力特公司(Littelfuse)技术应用经理杜尧生认为,现在对功率器件的要求越来越高,高效率、低功耗、小尺寸,以及容易控制和方便应用,都是工业应用对功率器件的要求。

  “应用于工业的功率器件必须可靠、高效、紧凑,能够耐受抛负载,而且能在宽输入电压范围保持输出稳定,”安森美半导体应用工程经理Jon Gladish则这样表示,“此外,电源转换的损耗要小,能够在较宽的温度范围工作。”

  大功率器件

  大功率器件主要用于工业应用,相比小功率器件,高电压、大电流的大功率器件在设计开发和应用中需要考虑的因素更多。

  “大电流高电压的产品都要考虑应力设计问题,而且大功率器件通常不是一个理想的开关器件,所以在设计时需要充分注意导通损耗、电压变化率(du/dt)、电流变化率(di/dt)等问题,二极管的反向恢复时间也需要考虑。”力特杜尧生表示,功率器件电压设定也很重要,现在cool MOS电压到1200V已经接近极限,1700V和3300V只能采用IGBT,但力特的碳化硅(SiC)MOSFET却非常容易实现1200V和1700V的最低电压设计。

  当然碳化硅MOSFET门极驱动是一个设计难点,因为碳化硅器件本身损耗小,开关频率可以设计到500KHz级别,所以驱动信号会非常快,除了电源绝缘,还要做好信号的绝缘隔离处理。高频信号也带来了电磁干扰问题,“抗干扰和抑制干扰都会变得头痛,工程师必须面对EMI问题,否则就会误触发引起器件失控。电路板的高频优化和多点接地系统设计也变成难点,系统设计既要进行时域分析,又要进行频域分析。”

  安森美半导体Jon Gladish强调安全始终是功率器件应用的主要考虑因素,尤其是高电压、大电流的大功率器件。“UL认为,高于60V的电压接触到人体,将造成伤害,甚至会导致死亡,所以大功率器件在应用时,必须要充分考虑安全设计,满足爬电距离和电气间隙要求是高压器件应用安全的首要条件。”高压引脚周围的灰尘和异物也存在危害,功能缺陷更要注意排查。

  由于大功率器件在工作中会产生大量的热,所以也需要特别注意其散热设计,尽可能减少由热膨胀失配引起的机械应力,以免发生危险。对如何进行散热设计,Jon Gladish提到几点:符合规范的PCB布局布线(PCB线的宽度、厚度和直径等因素都要考虑),优良的散热架构,选择热阻更小的封装材料等。

  瑞萨电子落合康颜表示,高压大电流应用中,往往不是单个芯片来承担大电流,对于两个或多个芯片并联使用场景,最重要的是控制多个芯片之间的特性偏差。“芯片特性偏差产生电流偏差,电流集中的芯片将会出现过热甚至损毁的状况,所以控制器件制造工艺偏差非常关键。”

  常见失效模式

  功率器件失效往往会带来比较严重的后果。尤其在不间断电源、太阳能逆变器、电信和充电桩等工业应用中,如果功率器件在设备运行时出现故障,将可能导致多种二次故障,例如熔化、起火或者爆炸。“所以通常情况,工业系统有过压保护(OVP)金额过流保护(OCP)等故障检测功能,”Jon Gladish表示,依靠故障检测功能,出现功率器件失效情况时,系统可以及时切断供电,从而避免二次故障。

  Jon Gladish总结了5种常见的功率器件失效模式:雪崩击穿;静电放电(ESD)或门极浪涌;体二极管反向恢复电流过大。可能会触发寄生BJT;长期工作在线性区,由于电流过大而导致的热失控;装配不当造成的封装损害。

  落合康颜认为,根据瑞萨电子的统计,客户的失效问题90%以上是由于过电压或过电流造成的损坏,特别是IGBT和MOSFET等开关器件,在开关过程中发生的失效极多。“为防止此类失效,采用适当的驱动条件,并尽力抑制PCB寄生电感。”

  “器件最常见的失效就电压击穿,短路烧毁,所以器件抗浪涌的能力必须强,抗冲击能力必须强。另外耐受电压的能力也要高。短路失效使我们最头疼的问题,因为器件短路对电源的沙胜利最大,可能会把整个电路板烧毁,甚至引起火灾。”杜尧生举了一个例子,工厂里运行的变频器通常是六个桥臂顺序工作,如果因为器件失效引发上下桥短路,没有保护的管子就会炸掉。“功率器件的短路保护是非常重要的设计环节,驱动板都会设定短路保护的时间,功率器件也会有最大短路电流标称。”

  功率器件发展趋势

  遵循摩尔定律的数字芯片更新换代非常迅猛,相比之下,功率器件发展比较缓慢,但也在不断演进,从最早的晶闸管技术,到GTO技术、MOSFET技术,再到IGBT、IGCT或IGET,这些以硅为基材的技术,在工作电压与损耗等参数上似乎已经达到了极限。“SiC技术的兴起和成熟,给功率器件带来了变革的曙光,”杜尧生表示,提高功率密度是目前功率器件技术的主要要求,电力传动系统和电力转换系统对能效比要求都很高,“力特的SiC产品,相比传统功率器件降低了80%的损耗,几乎变成了一个理想的开关器件。”

  除了传统的IGBT,安森美半导体也在持续开发宽禁带器件技术,包括碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN),此外超级结和屏蔽栅极硅基MOSFET(shielded-gate silicon based MOSFET)也是重点投入方向。“产业趋势是设计开发出更快、导通电阻更小的器件,不断降低硅特征导通电阻(RSP)和开关损耗,以实现更高的能效和功率密度。”Jon Gladish指出,还有一个优化方向是新型封装,安森美的重点方向是低寄生电阻和电感的表面贴封装,以及增强散热能力的封装,例如双面冷却封装。

  Jon Gladish将功率技术发展趋势总结为四个方向。首先是高压化,高压化趋势是为了提高能源效率;其次是模块化,通过更有效的热管理,来实现高额定功率;第三是先进技术研发,重点是基于硅技术和宽禁带(SiC和GaN等)材料的功率器件技术;最后是智能化,带保护功能的智能功率器件将更适合工业控制。

FUJI SiC器件

SiC器件具有出色的特性,能够实现高耐压、低功耗、高频动作和高温动作。使用SiC的功率半导体能够实现大幅节能和安装产品的小型化、轻量化。

特长

搭载SiC-SBD的IGBT混合模块V系列

适用高性能芯片

  • 低损耗的V系列IGBT

  • 低损耗的SiC-SBD

兼容旧款Si-IGBT模块产品封装

SiC肖特基势垒二极管

高速开关损耗特性

  • 高频工作电源、系统的小型轻量化

低VF特性

低IR特性

  • Tj=175°C、电源可在高温下动作、低损耗、高效率

高反向浪涌耐量

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  智能化

  Jon Gladish表示,虽然智能化功率模组(IPM)比普通分立器件方案更先进,对具体应用更优化,但用户并不一定会买账,因为智能功率模组通常价格更高,而且不是像分立器件这样的标准化产品。

  但智能功率模组的优点更多。首先模组性能更出色,隔离度更高、散热性能更强,同时模组内还可包含完整的保护功能,例如过电压、欠流和热关断;其次使用模组可以减小系统尺寸,功率模组通常采用系统化封装,将MOSFET、IGBT、二极管和驱动电路(Gate Driver Unit,简称GDU)等裸片都封在一个封装里,从而节省系统空间;最后模组可靠性更高,智能功率模组比分立方案元器件数量更少,加工环节减少,保护措施更完善,散热性能更好,这些都意味着更高的可靠性和更长的寿命。

FUJI ELECTRIC IGBT IPM

IPM内置有包含IGBT驱动电路和保护电路的控制IC,因而容易设计外围电路,从而能够确保系统的高可靠性。
适用于AC伺服系统、空调机、升降机等。
包括将15A-30A/600V系列化的小容量IPM、和包括400A/600V、200A/1200V 容量的V-IPM。
内置有过电流保护、短路保护、控制电源欠电压保护、过热保护,可输出警报信号。

小容量IPM(Intelligent Power Module)600V级

※点击产品图像即可查看等效电路图。

PackageIc600V 
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P633A
15A6MBP15XSD060-50V(temp) OUT
15A6MBP15XSF060-50V(temp) OUT & Self shutdown TOH
20A6MBP20XSD060-50V(temp) OUT
20A6MBP20XSF060-50V(temp) OUT & Self shutdown TOH
30A6MBP30XSD060-50V(temp) OUT
30A6MBP30XSF060-50V(temp) OUT & Self shutdown TOH
35A6MBP35XSD060-50V(temp) OUT
35A6MBP35XSF060-50V(temp) OUT & Self shutdown TOH

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IPM(Intelligent Power Module)600V、1200V级

※点击产品图像即可查看等效电路图。

PackageIc600V1200V
V seriesV series
Without Brake-ChopperWith Brake-ChopperWithout Brake-ChopperWith Brake-Chopper
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15A

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20A6MBP20VAA060-50


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75A6MBP75VBA060-50


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75A6MBP75VFN060-507MBP75VFN060-50

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6MBP150VDN060-507MBP150VDN060-50

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  瑞萨电子落合康颜表示,在空调中使用IPM等功率较小的器件已经很广泛,但工业大功率器件通常是多个芯片并联使用,所以智能化也是整套设备的智能化。“比如在纯电动车中使用IGBT,瑞萨电子的想法并不是让IGBT本身变得智能化,而是对顾客提供包括IGBT的整个智能化变频器解决方案。”

  “集成了驱动管理、热管理以及防护管理的智能化产品会让工程设计更加简洁,力特的产品会更加灵活好用,对整个工业应用也会带来变革,工业4.0也就是智能化制造的过程,这个过程离不开智能化的功率器件或模组。”设备信息化是实现工业4.0的基础,就如杜尧生所言,智能化是功率器件行业发展的大趋势。

  总结

  功率器件是保证工业设备正常运作的核心器件,严苛的工业应用场景对工业用功率器件的参数提出了更高要求,并需要在使用中增加多种保护措施以防止功率器件失效造成的灾难,高压化、模块化、智能化将是今后功率器件发展的主要趋势,宽禁带半导体技术也越来越受到重视。可以预见,在实现工业4.0过程中,智能化功率模块的接受度将越来越高。

IHS报告指出,现阶段愈来愈多供应商推出新产品,市场有望加速采用。富士电机功率半导体产品的推出备受市场关注,采用了最新第七代X系列芯片(最大工作结温175℃)的IGBT模块新产品进一步提升电流输出能力,实现装置的高功率密度、小型化。

 

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        市场的需求推动着行业的变革,亦加速着企业的发展布局。全球半导体市场发展越来越好,中国在政策的支持下,技术成熟的供应商厂家促进下,未来几年在全球半导体市场或将发挥越来越重要的作用。富士电机稳步发展,思维前瞻,积极开展市场调研,融入大学带去校园力量,挖掘展会面对面需求,响应号召推进绿色工厂,产业格局有条不紊快速提升!

威柏电子是电力电子产品专业供应商,主要产品为FUJI富士IGBT模块,FUJI富士IPM模块,IGBT驱动器,功率薄膜电容等核心功率器件,全面服务于中国工业节能及新能源产业。凭借优质的产品及专业的服务,深得客户信赖,成为中国电力电子市场重要的供应商之一。
2012年威柏电子荣获富士电机最佳销售金奖(暨富士最大代理商奖)
WESTPAC ELECTRonICS won gold award from FUJI ELECTRIC(CHINA)
威柏电子荣获富士电机半导体最佳销售金奖(暨富士电机半导体最大代理商奖)



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点击次数:  更新时间:2017-10-10 14:44:24  【打印此页】  【关闭