三菱电机功率器件的技术和产品趋势
发布时间：2012-2-25 19:02
发布者：1770309616
三菱电机功率器件的技术和产品趋势.pdf
(1.11 MB)
在对环境的投入已成社会必然要求的背景下，可有效利用资源和能源的电力电子技术主角 — 功率器件的作用，也就显得尤为重要。 我们三菱电机以“低损耗”和“小型化”功率器件的命题为基础，时刻听取大家的意见；迄今为止，以引领变频器产品市场的智能功率模块为首，已制造出众多产品。 今后，为了各领域中欲创造高附加价值产品的企业客户，将更进一步致力于功率器件的高功能化。不仅着眼于提高基本功能和开发新功能，还将致力于可提高开发设计及生产效率的集成技术、合乎客户需求的高性价比封装技术等方面的技术钻研。 我们将充分发挥积累至今的综合性技术以及技术人员的精神，通过为企业客户创造有用的产品，掀起电力电子技术世界的新潮流，一如既往地致力于功率器件的开发，为建设未来环保型社会做贡献。 在数百Hz〜数十kHz的领域中，三菱电机以IGBT元件为主要器件，开发和生产了可适用于电气化铁道、工业、汽车、医疗设备、消费电子等众多领域的各种功率模块。在此，向大家介绍这一领域中的产品和技术趋势。 
IPM产品通过内置周边电路，可缩短客户的开发、设计时间，有利于减少生产线上的装配工序数及设备小型化。最近，除工业用途外，在家电产品中也得到了广泛的应用。而且，为有利于今后提高整体系统的效率，将继续推进周边零部件的集成化及系统控制、系统保护功能、以及含信息通信功能等在内的高功能化。  １：封装的发展封装在由分立式转化为盒式的进程中，现已出现了通用封装概念的NX系列，和用于电气化铁道等的大容量、高绝缘型。而且，还开发出可适用于半导体IC封装技术的压注模封装，以DIPIPM™ 产品群为代表，以消费电子为中心不断推广发展。 １－１：可灵活应对客户需求、实现高性价比的NX系列被称为新一代盒式封装的NX系列，其封装概念为利用基本零件的通用化和装配流程的灵活性，灵活应对客户需求，提高性价比。对盒体、底板、管脚、端子和盒盖等基本零部件进行通用化的同时，通过装配过程中改变管脚配置、主端子安装位置等方式，可满足各客户需求。 
１－２：进化的IPM和DIPIPM™在IPM中，将驱动电路内置于IGBT，并将温度保护、控制电压的欠压保护、短路时的保护功能等一体化。现在的L系列，在此基础上增加了EMI噪声对策的栅极调整电路，还内置了各电流频段中的噪声减少功能。压注模封装的产品 DIPIPM™ ，应用IC的制作方法，实现全硅化，提高了生产效率。目前，正在推进往其中的控制IC里载入更多功能的技术开发。 
同等产品（封装尺寸）中获取更多电流。反之，使必需电流实现更小封装/产品的技术，已成为达到系统小型化及系统高电流密度的关键之一。 ２：第６代IGBT芯片开发 ２－１：功率损耗和FOM上所见的功率芯片性能功率模块共同点课题就是“低损耗”和“小型化”。迈向新一代继续发展高功能化、高性能化，也是以解决这些课题为大前提来考虑的。因此需要开发出性能更优越功率芯片。 首先看看搭载于功率模块中的功率芯片与系统功率损耗的关系。从80年开始，通过替换为使用双极晶体管的第１代IGBT，就已产生了约30％的改善效果。其后从第１代更新到第３代，改善了约40％，切实降低了功率损耗，而目前的第５代为第1代的1/3〜1/4。这些损耗降低有利于实际应用中节省电力，尤其在室内空调等变频家电产品达到了令人惊叹的省电效果。 
FOM值越大，性能就越高。 
２－２：结构技术的进化实现低损耗集电极到发射极的所经路线，可用若干电阻元件分解表示。初期产品平面型IGBT有JFET电阻元件。为改善这一问题，从第４代起导入沟槽结构，消除了 JFET电阻元件，降低了功率损耗。而第５代，更设计了可减小体电阻的载流子蓄积层，力求降低损耗。在第６代，我们继续追求从结构上也降低损耗。 
２－３：利用划时代的独创技术，推进开发第６代功率芯片目前在第５代IGBT芯片上，开发并采用了降低损耗效果极佳的CSTBT™ 结构。现在第６代IGBT芯片的开发也采用了CSTBT™ 结构。 第６代IGBT芯片开发的核心技术有以下两点。改善短路耐量的结构技术 ––“杂质浓度分布曲线的优化”，和降低通态压降、扩大电流通道的“晶圆微细加工”。 IGBT芯片中安装的晶体单元数量决定电流导通顺畅程度，因此如何缩短沟槽间隔，将更多的晶体单元安装到IGBT芯片中，就成为关键。从模拟结果发现，若将沟槽间隔从目前的间距4µm压缩到2.5µm时，功率损耗的基准导通电阻可降低约20〜30％。 
２－４：优化减少阈值电压偏差的浓度分布曲线采用这项技术，可以降低导通阻抗，但其弊端是导致安全工作区 （SOA） 变窄。为抑制这一弊端，确立了“优化浓度分布曲线”的技术。 栅极阈值电压是决定短路耐量和安全工作区SOA的一项指标。阈值电压低时，虽可获得电流，但短路耐量会变短。反之，阈值电压高时，短路耐量加强，但无法获得电流。也就是说，以阈值电压为参数，电流容量和短路耐量存在背反关系。为改善此背反关系，确立了“优化浓度分布曲线”的技术。 CSTBT™ 结构在构造上，虽有生产流程偏差容易影响阈值电压等特性的问题，但第６代IGBT芯片利用高能离子注入技术优化浓度分布曲线，从结构上改善了生产流程偏差的影响。减少阈值电压偏差可使SOA的设计更有余地。故可通过微细加工力求低损耗，还可确保SOA。 
通过改善偏差，在与以往相同的感性负载短路下，保证时间为10µs 
定常损耗中，开关损耗比第５代改善了约30% 
除性能提高外，外观比以往的NF系列尺寸缩小了约30％。 
与第５代整体比较，通态压降减小，偏差减半，从原来的±1V变成±0.5V。 在保持一般能力的同时，也确保了短路耐量和SOA，从整体上大幅度改善了权衡关系。 ２－５：与IGBT芯片共同发展的二极管技术开发这些IGBT芯片从第５代到第６代发展的同时，二极管的技术开发也与时俱进。目标就是通过使VF温度系数为正，及背面阴极部分厚度变薄，以降低通态压降。 
与以往250〜300µm的厚度相比，减少到一半以下，为100几十µm 
二极管还有一个很大的问题，即反向恢复工作时会引起电压振荡，成为噪声源。二极管的特性决定在低温、高压、低电流的情况下，使之反向恢复工作时，会产生电压振荡。但与第６代IGBT芯片组合使用的二极管器件，通过优化浓度，可抑制电压振荡。 
150A、1200V二极管芯片的验证。在额定电流（300A）约1/15左右的23A/cm²低电流下，使之工作。图为开关时的恢复波形 
通态压降和恢复损耗的关系。通态压降变小时反向恢复电场变大。第６代比以往改善了约35％左右。 ３：功率器件的展望３－１：产品发展第６代IGBT芯片从FOM来说，比以往改善了约1.3倍。即在同一电流密度下使用时，损耗降低了约30％。二极管芯片的损耗也比以往产品降低了约30％。使用这些芯片的IGBT模块实现了低损耗，抑制了二极管恢复动作时的电压振荡，做到了低EMI化。而且，利用封装技术，进行通用封装下更大容量产品的开发。 IPM及DIPIPM™ 方面，在力求低损耗和低EMI化的同时，更为提高功率密度，将可提高附加值的功能集成化，并结合到新一代产品中。 此外，关于比DIPIPM™ 更小容量即1A〜2A水平的产品方面，不采用模块形式，而是开发出用硅片将整个电路单元全部装入在内的芯片。1个半导体芯片即可构成变频电路的单片机变频器。含共三层变频驱动用IGBT、保护电路、栅极驱动功能，也包括控制功能，全部单片化。最初目标 — 500V/1A级别的产品已进入开发收尾阶段，可向客户提供样品。 
３ー２：功率器件的发展功率器件通过各项技术改善，可控制功率密度也得以提高。用双极晶体管构成的变频器，功率密度为0.1 W/cc。体积为1 cc时，可控制功率密度为0.1 W左右。此数值IGBT芯片登场后，提升了一个数位，达到1 W /cc。而现在的第５代，已进化到可控制数W／cc的水平。按此趋势，通过低损耗的探索和技术革新，今后也将持续进步。 
由此，今后功率器件可望获得更大的发展。 来源：三菱半导体 |
网友评论