大功率半导体的未来

2019-01-25 09:19:36 Westpac Electronics

事实证明,功率模块是功率电子系统技术快速发展的 主要驱动力,在节能、控制动力、降噪以及减少重 量和体积方面表现地尤为明显。功率半导体主要用于控制 能源生成与消耗之间的能量流。这需要极精确的技术和极 低的损耗。 工业应用的功率电子技术之所以能够不断进步,主要 取决于五大因素:高能效、工作温度、小型化、可靠性和 降低成本,这五个因素在某种程度上也相互影响。目前呈 现的趋势推动了功率半导体在过去三十年的发展,并将在 未来继续推动其发展。 从最初的 30kW/cm²,到如今能够实现 110kW/cm² 的 功率密度,这一切都要归功于创新的装配和互连技术。现 在普遍认为,通过 IGBT 模块的新发展,半导体行业将实 现明显更高的功率密度。未来功率增加将需要新的外壳, 这一点也是显而易见的。 同时,转换器领域的发展也在继续。并且伴随着芯片 技术和外壳设计的发展。与此相关的一些新理念,例如不同电压级别之间的部件共性理念,要求半导体制造商采用 创新的解决方案以满足现代化节能功率电子未来的需求。 大功率 IGBT 模块应用于工业驱动、交通和风力发电 机等各种应用。紧凑型设计、能效和可靠性是这些应用 的关键因素。有一点是可以预见的,那就是,在更为苛刻 的新的应用环境中,对转换器和模块技术的可靠性和弹性 将采用不同的、可能更为严格的要求。这就引出了一个问 题,即,未来应该如何塑造解决方案以满足不同需求。 驱动 除了可再生能源能够发电之外,化石燃料的使用 继续在电源供应方面占有巨大份额。预计在 2005 年 至 2030 年期间,全球人口数量将增加 17 亿至 82 亿 (1)。毫无疑问,城市化也将成为必然趋势。这样的发 展需要对石油和天然气等能源的提取和分布进行大量 投资。新的生产技术能够开发出新的资源。这就需要 高效率的泵驱动,而 IGBT 模块就是重点。在工业驱 动方面,为了提高能效,越来越多的非稳压驱动逐渐 被变速驱动取代。 在钢铁、石油和天然气工业或采矿企业等工业 应用中,转换器通常需要暴露在极其恶劣的条件下。


灼热的钢铁、有害的环境、多变的工况和周期性的过 载意味着高电气和机械应力,因此需要非常稳定的结 构。在新技术和对现有工厂进行的现代化改造方面, 中低压应用采用 100 KW 甚至数十兆瓦级的轧机驱动 装置。必须实现可靠耐用的功率电子理念才能满足这 些要求。 牵引 牵引市场很大程度上取决于各个国家和地区以及城 市和直辖市的基础设施项目。铁路运输正在经历一场全 球范围的复兴。世界各地出现了众多新的运输公司,并 成为大型并购的一部分,因为这是管理预期交通量的必 由之路。新的建设与扩建项目的数量在持续增长。许多 城市建造了以铁路为基础的当地运输系统,即便有些城市是第一次搭建铁路。鉴于货运和高速客运服务领域的 高经济增长速率,一些新兴经济体实施了宏大的新铁路 建设项目 (2)。 可以确定有两项发展是全球牵引市场发展的驱动 力:城市化和日益增加的流动性。即使个别项目是提前几 年就策划和筹资的,但仍需要使用最新技术。这样能确保 满足节省成本,尤其是节省时间的要求。与驱动转换器一 样,紧凑设计和减轻重量也是铁轨部件的重要因素。 风能 随着可再生能源部分在发电行业继续稳步增长,对 功率半导体器件的需求也不断增加。岸上风力发电机是目 前可再生能源最经济的来源。复杂的变频器系统是工厂的 重要组成部分,因为首先它能够产生与市电兼容的电力。 现代的海上风力发电机可以提供高达 7MW 的输出功率。 该应用领域不断增加的发动机功率和空间限制要求紧凑且 功能强大的转换器理念。在考虑此类项目的成本效益时, 低维护和生命周期成本起着重要作用。因此基于转换器理 念的平台方法需要考虑各方面的设计效率。 功率电子解决方案必须高度可靠耐用才能满足应用 的大量需求,例如在风能领域的应用,以及牵引的驱动系 统、中压工业驱动或高压直流输电系统。借助高压直流输 电技术,电力可以极高的成本效率进行长距离传输。在这 方面,海上风力发电厂与岸上供电电网的连接也是可能实 现的。 “解决方案” IGBT 技术面临的新挑战主要源于应用的需求不断增 加。纵观近年来功率半导体的成功发展,很明显是以芯片 技术为基础的。重点主要是没有改变封装技术的最新芯 片。新的 IGBT 芯片主要集成到现有封装——这种方法有 时候会有局限性。随着系统要求继续增长而新一代的芯片 投入使用,有必要根据相应的功能开发新的封装。应对挑 战需要的就是“解决方案”。


富士电机X系列第7代IGBT和SiC相关器件亮相展会。

IGBT模块是一种能实现节能和稳定供电的核心器件,被广泛应用于各种工业设备如电机驱动用变频器、不间断电源装置(UPS)、风能和太阳能发电设备用功率调节器等。富士公司第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,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。

近年来随着全球能源需求增长,各个领域对工业设备都提出了更高的节能要求,工厂等生产现场则非常注重机器设备的小型化、节省空间化及高可靠性。今年,富士电机半导体营业本部特推出富士电机X系列第7代IGBT ,同时展出了使用第7代IGBT的大功率次时代核心模块(HPnC)样品。

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(左:7G(X系列)IGBT模块  右:HPnC) 
IGBT模块是一种能实现节能和稳定供电的核心器件,被广泛应用于各种工业设备如电机驱动用变频器、不间断电源装置(UPS)、风能和太阳能发电设备用功率调节器等。 
塚越 敏夫和徐国伟介绍,富士电机X系列第7代IGBT 通过对构成本模块的IGBT元件和二极管元件进行厚度减薄和微细化改进,实现了最佳元件结构。因此,与第6代“V系列”相比,变频器的工作电耗降低,有助于设备的节能和降低电力成本。此外,第7代IGBT采用更为先进的封装技术,如75A PIM-IGBT 封装尺寸缩减36%,更趋小型化;最高连续工作温度从以往的150℃提高至175℃,所以能做到在维持设备原尺寸不变的同时,扩展电流等级,例如50A PIM-IGBT输出电流实现50%的增幅。 
在新材料方面,前不久富士电机推出装载新一代功率半导体元件SiC(碳化硅)的混合模块产品系列;本次展会富士电机又带来了全SiC 2in1模块(SiC MOS-FET & SiC肖特基二极管),采用高耐温环氧树脂、绝缘基板厚铜箔层及无邦定线技术等新概念封装,展示出全SiC模块的优良开关特性。

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全SiC模块)

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(全SiC模块性能) 
“中国的经济转型体现在两个方面,其一是中国经济的转型升级,其二是从中国制造向中国创造转型。用户需求一方面受到国家政策主导和行业发展推动影响,另一方面是主观意愿的转型提升寻求更大发展空间。”塚越 敏夫分析指出,用户需求具体体现在对半导体原材料要求更高、产品技术要求更高、产品可靠性要求更高,同时在保证上述需求的基础上要求有更高的性价比,甚至有的客户抱有成本逐年递减的需求。 
面对新形势和新需求,富士电机半导体 凭借三十多年的经验积累不断追求技术创新,在对产品全方位升级优化的同时,以本地化生产、快速服务响应来贴近中国用户。如旗下深圳工厂全面导入日本精益生产管理理念,确保产品品质,缩短产品上市时间,提供本地快速服务,帮助客户有效降低成本。基于以上,塚越 敏夫相信富士电机半导体 将在中国传统工业领域有更加出色的表现。

瞄准新能源汽车持续发功 
作为富士电机半导体业务发展的一大亮点,2015年其 功率半导体模块在新能源汽车行业销量同比增长3倍。塚越 敏夫对此解释道,“在新能源汽车和充电桩的带动下,以IGBT为代表的功率半导体模块行业迎来了新的成长机遇,特别是2015年新能源汽车进入爆发期。富士电机IGBT模块的订单收获主要来自于电动大巴的应用,这块市场起步不久,市场基数虽小但增幅大。” 
展会现场,富士电机带来面向车载应用的最新产品高电流密度六合一IGBT模块,可用于纯电动汽车(EV)、混合动力汽车(HEV)等电动汽车。它是富士电机的汽车级 IGBT模块的第3代产品。

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(汽车级 模块) 
与采用上代产品技术相比,第3代新品尺寸减少50%,重量减轻60%,而功率密度达到原来的约2倍;额定电压为750V,额定电流为800A,最高工作温度为175℃。与第2代产品一样,第3代产品采用“直接水冷方式”,但改进了冷却机构。冷却风扇的材料由原来的铜换成铝,同时更改了冷却片的形状和配置。另外,在IGBT模块的冷却片一侧安装了流水的“水槽”。通过改进水槽 的内部结构,提高产品冷却性能。另一项改进是采用了将IGBT和二极管集成在一个芯片上的“RC-IGBT”。与分别单独配置IGBT和二极管时相比,可以减小功率元件的芯片面积。IGBT部分采用了富士电机最新的第7代“X系列”产品。 
据塚越 敏夫介绍,由于电动汽车开发周期长,富士电机与该领域合作伙伴保持零距离接触,充分了解客户需求共同开发定制化产品,双方的商业合作模式并非纯粹的买卖关系,而是更加注重长远发展的战略合作伙伴关系。鉴于IGBT模块是新能源汽车电控系统和直流充电桩的核心器件,接下来,富士电机将在新能源汽车和充电桩领域逐步延伸。

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