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FUJI-富士电机 第2代小容量IPM650V/50A、75A的系列化

供稿:FUJI-富士电机(中国)有限公司 2019/9/29 16:50:10

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    关键字: 富士电机 半导体
    产品分类: 亚博娱乐官网登录元器件 半导体器件
    品牌: 富士电机
    产品简介:
    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。

    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 /


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    图1 产品外观


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    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。


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    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


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    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。


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    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


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    图5 dvr/dt-Err均衡特性


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    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


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    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。


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    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


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    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 /


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    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。


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    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


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    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.


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    更多内容请访问 FUJI-富士电机(中国)有限公司(http://c.gongkong.com/?cid=1681)

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