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FUJI-富士電機 第2代小容量IPM650V/50A、75A的系列化

供稿:FUJI-富士電機(中國)有限公司 2019/9/29 16:50:10

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    關鍵字: 富士電機 半導體
    產品分類: 工控元器件 半導體器件
    品牌: 富士電機
    產品簡介:
    近年來,在地球環境問題中,為了應對溫室氣體排放規定,以節省能源和節省資源為目的的小型化要求不斷增強。

    近年來,在地球環境問題中,為了應對溫室氣體排放規定,以節省能源和節省資源為目的的小型化要求不斷增強。富士電機推出了集成變頻器電路組成所需要的功率器件及控制IC的第2代小容量IPM650V/50A、75A系列產品。本產品采用了“X系列”IGBT芯片技術,相比以往產品實現了更低損耗,同時采用了高耐熱封裝技術,將最大工作溫度提高到了150℃。由此提高了設備的節能性,實現了更大的輸出電流和框體的小型化。


    / 產品概要 /


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    圖1 產品外觀


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    表1 產品的主要特性


    圖1是產品的外觀,表1是產品的主要特性。外形尺寸為79.0×31.0×7.8(mm),采用雙列直插結構,絕緣性符合UL1577標準。規格為650V/50A、75A,每種電流規格下根據有無過熱保護功能又各包含2種型號。


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    圖2 內部等效電路


    圖2是2G-IPM的內部電路結構。2G-IPM是由6對低損耗IGBT和高速FWD組成的三相變頻電路。下臂IGBT是自帶電流檢測的IGBT(電流檢測IGBT:為了實現過電流保護,內置了主電路電流檢測功能的IGBT)驅動電路搭載了1塊驅動下臂IGBT的LVIC芯片,和3塊驅動上臂IGBT的HVIC芯片。另外還搭載了3塊BSD芯片,通過連接三個外接電容器可組成上臂驅動電源。因此,不需要外接絕緣電源,節省了安裝基板的空間。


    / 產品設計 /


    ▋器件設計

    1.IGBT設計


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    圖3 IGBT芯片截面結構圖的比較


    圖3是第1代小容量IPM(1G-IPM)用的IGBT芯片和2G-IPM用的IGBT芯片的截面結構比較。用于2G-IPM的IGBT芯片,是以X系列IGBT的薄晶圓和微細化技術為基礎。同一芯片上除了流過主電流的部分之外,還集成了用于檢測主電流的分流部分,以實現更好的過流保護。


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    圖4 VCE(sat) - Eoff均衡特性


    圖4是IGBT導通電壓VCE(sat) - 關段損耗Eoff的均衡特性。本產品對漂移層的電阻率、厚度、電場終止(FS)層的屬性及表面通道密度進行了優化,相比1G-IPM用IGBT芯片改善了Vce(sat),Eoff損耗降低了約56%。


    2.FWD設計


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    圖5 dvr/dt-Err均衡特性


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    圖6 反向恢復電壓的FFT解析結果


    FWD芯片的主要課題,一般是對產生干擾的反向恢復dvr/dt-Err的均衡特性,圖5是dvr/dt-Err的均衡性,圖6是用于1G-IPM和2G-IPM的FWD芯片在反向恢復時電壓波形的FFT解析結果的比較。本次采用的FWD以X系列的FWD芯片技術為基礎,對陽極擴散屬性及壽命控制進行了優化,并通過軟恢復特性,對均衡性進行了改善。通過以上改善,相對于1G-IPM。Err降低約55%,dvr/dt抑制了約15%,干擾預計可以降低10dbB左右。


    ▋封裝設計


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    圖7 封裝結構的截面圖


    圖7是封裝結構的截面圖。封裝與目前正在量產的2G-IPM相同。通過該種結構,在絕緣層使用了含樹脂的鋁絕緣基板,因此保證了和密封樹脂之間的高粘合度。另外,1G-IPM中芯片發熱會經過綁定線傳至引腳,因此存在引腳溫度高的問題,通過采用使封裝內部綁定線的發熱散熱到鋁絕緣基板的結構,降低了引腳溫度的上升。


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    表2 可靠性測試結果(主要項目)


    表2是主要的可靠性測試結果。額定650V/50A、75A的2G-IPM,為了保證和以往相同的可靠性,通過增大鋁綁定線的直徑,增厚銅箔等,抑制了隨著容許電流增大產生的發熱,同時對組裝工藝進行了優化,降低了隨著封裝大型化而產生的內部應力。




    ▋保護功能設計


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    圖8 過電流保護電路


    圖8是過電流保護電路。在本次開發的2G-IPM中,作為實現過電流保護、短路保護手段,除了有和1G-IPM一樣、圖8(b)所示的外部分流電阻方式之外,還增加了圖8(a)所示的通過采樣電阻Rs對IPM內置電流檢測IGBT中流過的電流進行檢測的方式。在使用電流檢測IGBT與Rs檢測的方法中,由于可以減少分流電阻的個數,因此可降低系統成本以及節省安裝基板的空間。


    / 2G-IPM的效果 /


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    圖9 使用額定規格為650V/50A的2G-IPM、6馬力PAC假想中間負載時損耗的估算結果


    圖9是針對相當于6馬力的商用空調(PAC),其處于中間負載時對變頻器損耗進行的估算結果。本次開發的2G-IPM,和1G-IPM相比損耗降低了約32%,有望實現APF的提高。


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    圖10 使用額定規格為650V/50A的2G-IPM、6馬力PAC假想最大負載時損耗的估算結果


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    圖11 使用額定規格為650V/50A的2G-IPM、6馬力PAC最大負載時溫度上升的估算結果


    圖10該型號設備在最大負載時對變頻器損耗的估算結果,圖11是此時溫度上升的結果。在最大負載條件下,與1G-IPM相比損耗降低了約27%。而且溫度上升降低了約20℃。此外,將工作保證溫度范圍提高25℃,還有助于增加輸出電流、實現框體的小型化。


    以上對第2代小容量IPM650V/50A、75A的系列化進行了說明。今后,大型空調、工業用變頻器和伺服系統的需求將不斷擴大,本產品便是滿足這些需求的產品之一,將來還會考慮將該系列擴大到1200V。


    富士電機今后也會將實現系統整體節能作為使命,開發實現進一步差異化的產品。


    文獻來源:岡山 健一等.專輯:有助于能源管理的功率半導體.富士電機技術期刊2019,Vol.C11 NO.1,P14~P17.


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    更多內容請訪問 FUJI-富士電機(中國)有限公司(http://c.gongkong.com/?cid=1681)

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