第7代 IGBT 模塊 X 系列

2019-11-14 14:54:28 Westpac Electronics
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近年來,為了防止化石燃料枯竭和全球變暖,人們正在追求提高能源利用率和減少二氧化碳排 放方面作出了努力。包括了馬達驅動等工業應用,開關電源等民生應用,以及電動汽車和鐵路、 太陽能發電和風力發電等可再生能源應用等,使用功率半導體器件的高效率電力變換裝置其適 用領域和市場正在急速擴大。在功率半導體器件中,IGBT(絕緣柵雙極晶體管)模塊具有高 速開關、大功率高效率和容易操控的特征,它在其應用領域中的使用不斷擴大。

富士電機的 IGBT 模塊在進入市場以來,憑借多項技術創新實 現了更低的損耗以及結構的小型化。這些創新在電力變換裝置的高 效率、小型化、高性價比作出了貢獻。然而,IGBT 模塊尺寸的小 型化會導致 IGBT 模塊在高功率密度時,結溫升高和可靠性降低。 為了進一步實現模塊的小型化和高效率,富士電機的第 7 代 IGBT 模塊「X 系列」誕生。

圖 1 是第 7 代 X 系列的芯片和第 6 代 V 系列的芯片的剖面圖。 由于第 7 代 X 系列 IGBT 采用了極薄的晶元制造技術(更薄的漂 移層)和細微的溝槽柵結構,使得導通電壓和開關損耗得到進一步 降低,從而使得它在損耗方面的表現比我們第六代 V 系列 IGBT 有 了突飛猛進的進步。除此之外,還優化了場截止層,這能夠更好的 抑制電壓振蕩,降低了高溫下的漏電流。 特點 2:新的封裝技術(Tvjop=175°C) 富士電機的第 7 代 X 系列能夠在 175°C 條件下連續工作。這 是我們在業界率先達到的標準。為了達到這個標準進行了以下三個 方面的改進。 ① 高散熱陶瓷絕緣基板 圖 2 陶瓷絕緣基板對芯片與外殼之間的熱阻影響是最大的,第 7 代 IGBT 模塊進一步減小了絕緣基板的熱阻。第 7 代使用了比 Al2O3(氧化鋁)更低熱阻的 AlN(氮化鋁)作為絕緣基板。但 是,常規 AlN 材料機械強度低,絕緣基板厚,具有高剛性。如 果外殼溫度(Tc)升高時,則施加于基板下焊錫的熱應力將增加, 從而降低可靠性。如圖 2 所示:富士電機開發了更薄的 AlN 陶 瓷基板,并優化陶瓷燒結條件。

 Al2O3基板和高散熱新AIN基板的熱阻比較可以得知, 在相同的芯片尺寸上進行比較,新的 AlN 基板比 Al2O3 基板熱阻降 低了 45%。 ② 高耐熱硅凝膠 圖 4 要保證模塊有高的操作結溫,在高溫下,硅凝膠的可靠性必須 要得到保證。富士電機開發的新硅凝膠在高溫環境下放置(215°C, 2000 小時)沒有出現裂紋。圖 4 為環境溫度和硅凝膠使用壽命的 關系。橫軸是環境溫度(數值越小,溫度越高)、縱軸表示硅凝膠 的壽命。在 175℃下高耐熱硅凝膠的使用壽命比傳統的硅凝膠提 高了 5 倍,并且壽命在 10 年以上。因此,確保了 X 系列模塊在 175℃的高溫下絕緣性能可以與傳統產品在 150℃條件下的絕緣性 能具有相同的可靠性。 ③高強度焊錫的開發和綁定線直徑 / 長度的優化 為了確保 IGBT 模塊長期可靠性,有必要提高重復熱應力的耐 受能力(ΔTvj 的功率循環耐量)。 在 IGBT 模塊中,將絕緣陶瓷基板焊接在銅基板上,并且將 IGBT/FWD 芯片焊接在陶瓷基板上分的銅布線圖案上。然后半導 體芯片和銅布線圖案通過鋁綁定線連接構成回路。在電力變換裝置 運行期間,IGBT 模塊溫度會升高,由于模塊內的各種材料(銅、 陶瓷、半導體芯片)的膨脹系數不同,所以在接合部位會產生機械應力。在半導體芯片的結溫 Tvj 反復上升下降的使用條件下,會 重復施加熱應力至芯片上方的綁定線和芯片下方焊接部分,導致 劣化。Tvj 越高,劣化的進展速度越快。通過優化綁定線的直徑 和長度、新開發的高強度焊錫,在 Tvj,max=150℃、ΔTvj=50℃條 件下,第 7 代是第 6 代壽命的 2 倍。 特點 3:額定電流的提升和模塊的小型化 圖 5 通過減少損耗、高功率密度和高溫工作,可以用同一封裝來 提升電流額定值。如圖 5 所示,1200 系列的 EP2 封裝中,第 6 代 V 系列的最大額定電流為 50A,而在第 7 代 X 系列中,最高 額定電流已擴大到 75A。該效果可以在不改變的電力變換裝置中 的殼體尺寸的情況下增加輸出功率。 圖 6 另一方面,擴大 IGBT 模塊的額定電流,也有助于電力變 換裝置的小型化。在第 6 代 V 系列模塊中,額定 1200V/75A 的 IGBT 模塊使用 EP3 的封裝(122mm x 62mm),但在第 7 代 X 系列中,可以將相同額定值的 IGBT 模塊裝入 EP2 封裝 (107.5mm x 45mm)。這個模塊的封裝面積(安裝尺寸)減 少了 36%。在損耗方面如圖 6 所示,第 7 代 EP2 的封裝比第 6 代 EP3 的封裝的損耗減少 10%。從而實現了模塊的小型化。 富士電機一直在致力于技術的創新,在環境和能源領域做出 自己的貢獻。


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