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【年刊】三菱电机:功率半导体“优等生”的2018年“答卷”

2018-12-24 14:27 高工机器人网 阅读:11583
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摘要60年以来,三菱电机之所以能够一直保持行业领先地位,在于持续性和创新性的研发和开发。三菱电机以改善生产效率、提供高品质产品以及满足环境发展需求为目标,在自动化领域不断深耕,以精雕细琢的产品匹配中国工业自动化转型升级的发展需求。

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【文/廖文清】作为世界500强企业,同时也是“现代功率半导体器件的开拓者”,三菱电机始终致力于尖端产品的研发与践行节能环保的企业理念。

  60年以来,三菱电机之所以能够一直保持行业领先地位,在于持续性和创新性的研发和开发。三菱电机以改善生产效率、提供高品质产品以及满足环境发展需求为目标,在自动化领域不断深耕,以精雕细琢的产品匹配中国工业自动化转型升级的发展需求。

  五大领域齐发力  打造全产品线

  “客观地说,三菱电机功率半导体器件在变频家电领域是绝对的领导者。” 三菱电机大中国区技术总监宋高升在2018年新品发布会上表示。

  自从在1996年推出面向家电领域的DIPIPM后,截止到2018年9月,三菱电机累计出货量已经超过6亿颗,不仅形成了完善的产品线,而且处在全球产能最高的状态。

  DIPIPM虽然已经广泛运用于包括格力、美的、海尔、奥克斯等在内的几乎所有知名家电企业出品的变频空调中,但在更小功率的领域,三菱功率半导体的产品还未完全覆盖。为进一步巩固其在变频家电市场的领先地位,2018年6月,三菱电机推出了适用于变频空调风扇、变频冰箱、变频洗碗机等电机驱动系统的表面贴装型IPM(智能功率模块),该产品已于今年9月1日开始发售。

  三菱电机研发出IPM智能功率模块,三菱IPM智能功率模块的三个核心技术“驱动、封装、芯片”都是自主研发,占据着全球最大的市场份额。

表面贴装型IPM

  表面贴装型IPM具有三大核心优势:首先,采用外形尺寸为15.2mm×27.4mm×3.3mm的表面封装型,可以通过回流焊接装置安装到印刷电路板上去,通过表面贴装,使系统安装变得更加容易;其次,为满足功率器件的高集成度要求,将构成三相逆变桥的RC-IGBT(反向导通IGBT)、高电压控制用IC、低电压控制用IC以及自举二极管和自举电阻等器件集成在一个封装中,在实现系统的小型化并使基板布线简化方面具有积极意义;第三,通过内置保护功能,可以帮助提高系统的设计自由度。

  “这款产品虽然外观更加简单,更加易用,但是对产品技术要求却很高。也许在不到一年时间里,我们又会看到很多功率器件厂商模仿这款产品。”宋高升表示。

  其实,三菱电机功率器件不仅在变频家电领域是佼佼者,同样在工业、新能源、轨道牵引、电动汽车等应用领域保持着源源不断的产品研发能力,新品跌出。

  在工业应用方面,三菱电机第七代IGBT和第七代IPM模块,首次采用SLC封装技术,使得模块的应用寿命大幅延长。在新能源发电特别是风力发电领域,2018年推出基于LV100封装的新型IGBT模块,有利于提升风电变流器的功率密度和性能价格比。在轨道牵引应用领域,X系列HVIGBT安全工作区域度大、电流密度增加、抗湿度鲁棒性增强,有助于进一步提高牵引变流器现场运行的可靠性。而在电动汽车领域,J1系列Pin-fin模块具有封装小、内部杂散电感低的特性。

  以“持续为用户提供更低损耗、更长使用寿命以及更小尺寸的高性能产品”为目标,未来,三菱电机仍将在以上五大领域不断推出新产品、新技术,并努力在电动汽车和铁道牵引两大交通领域实现新的突破。

  电动汽车——抓住发展机遇

  随着新能源汽车市场的爆发,功率器件领域也将迎来新的发展机遇,宋高升表示,电动汽车的运行条件不同于工业应用条件,对电驱动用逆变器的核心元器件功率模块不仅要求体积小、重量轻、效率高、冷却方法简单等,而且要求更高的可靠性、更长的寿命以及安全无故障运行。

  作为全球首家开发汽车级功率模块的企业,三菱电机从1997年起就将汽车级功率模块成功地应用于电动汽车中,迄今为止,已具有20成年功开发汽车级功率模块的丰富经验。

  三菱电机最早推出的是客户定制型的汽车级IGBT模块和智能功率模块(IPM),随后推出了非定制型的J-series汽车级功率模块T-PM,它是一种采用压注模封装的2in1 IGBT模块,内部采用直接主端子绑定结构(DLB),提高了模块的功率循环寿命和热循环寿命,内置了硅片级的温度传感器(检测IGBT-chip的结温)和电路传感器(直接检测发射极电流),将其输出温度/电流信号用于过温保护和短路保护时可使保护更精确更及时进而更可靠,这些都是电动汽车用驱动器所需要的。同时,针对汽车级模块的显著特点,三菱电机开发了配套的汽车级驱动LVIC,它可实现无负压关断,并具有在欠压、过温及其短路故障时实现软关断保护功能。

  目前,三菱电机正推出新一代的J1系列汽车级功率模块EV-PM,该系列模块不仅沿袭了J系列EV T-PM的显著优点如直接主端子绑定结构(DLB)、硅片级温度传感器和电流传感器,而且采用更低损耗的第7代CSTBTTM硅片技术,使效率更高;同时采用六合一的水冷针型散热结构,使得封装尺寸减少40%,导热性能提高30%,具有更高的功率密度,更便于冷却及散热器安装,提升产品的性能价格比。

  宋高升认为,就如何开发出满足汽车要求的功率模块来说,需要在三个方面进行技术创新:即功率硅片技术、封装技术以及功能集成技术。

  在功率硅片技术方面,三菱电机致力于持续开发更低功耗的新一代IGBT硅片技术乃至SiC硅片技术;在封装技术上,通过改进模块内部构造和绑定线技术以及底板冷却结构,减小热阻和封装尺寸,提高功率密度,同时提升模块的可靠性和寿命;在功能集成技术方面,不断优化内置的温度/电流传感器,并采用先进的智能ASIC和可调的驱动器,实现更高的精度及其性能上的优化。

  目前三菱电机的汽车级功率模块已涵盖650V/300A~1000A、1200V/300A~600A的容量范围,基本上可满足30kW~150kW的电驱动峰值功率的应用要求。

  配合未来电动汽车发展的趋势,三菱电机也将适时地推出适合电动车驱动系统、充电站等的功率模块,也会适时地推出适合电动车空调用的功率模块。此外,三菱电机将持续性地联合国内知名大学与专业设计公司,开发基于中国本土化的基于新型功率半导体的电动车专用模块和整体解决方案。

  SiC功率模块——第三代半导体产业的崛起

  SiC 和GaN为代表的第三代半导体材料凭借其优异性能,突破电能转换消耗瓶颈并迅速崛起。

  与传统Si-IGBT模块相比, SiC功率模块最主要优势是开关损耗大幅减小,对于特定逆变器应用,这种优势可以减小逆变器尺寸,提高逆变器效率及增加开关频率。目前,基于SiC功率器件逆变设备的应用领域正在不断扩大。通过对SiC技术的深入研究,三菱电机正不断夯实着未来SiC功率半导体时代的基础。

  三菱电机是将SiC技术应用于功率模块的先驱之一,已经发布了二十多款SiC功率模块,包括Hybrid-SiC-IGBT模块、Hybrid-SiC-IPM、Full-SiC-MOSFET模块和Full-SiC-IPM等。其SiC功率模块产品线涵盖额定电流15A~1200A及额定电压600V~3300V,目前均可提供样品。

  目前已经量产的SiC MOSFET仍然采用平面栅芯片技术,其短路耐量不及传统的Si-IGBT。针对全SiC功率芯片短路耐量不足的问题,在SiC功率模块开发时,三菱电机采用两种解决方案——第一种是IPM,使客户在使用模块不再面临短路保护的烦恼;第二种是在SiC-MOSFET芯片上设置电流传感器,供客户在为SiC模块设计驱动时方便地使用RTC(实时控制技术)进行短路保护。

  “电力电子行业对功率模块的要求更多地体现在提升效率与减小尺寸方面,因此新型SiC MOSFET功率模块将获得越来越多的应用。”宋高升表示。

  事实上,3.3kV全SiC功率模块已经在牵引变流器中得到应用,有着显著的节能、减小变流器体积和重量等作用;6.5kV Si IGBT模块已经用于高铁和电力传输系统,这些市场期待6.5kV SiC功率模块能带来更多好处。基于此,三菱电机开发了业界首款采用HV100封装的新型6.5kV全SiC MOSFET功率模块。

  此外,在800A/1200 V全SiC模块的基础上,三菱电机推出其升级版本,具体型号为FMF800DX2-24A。与旧型号相比,其内部采用了相同的低损耗SiC MOSFET芯片组,但是封装有所变更,新封装内部电感小于10 nH,隔离电压达到Viso=4 kVAC。其SiC MOSFET的P侧和N侧均采用了实时控制电路(RTC)。此电路采用MOSFET芯片中集成的电流传感器来检测短路,并通过快速抑制栅极电压来高效地进行短路电流限制。

  2018年,三菱电机推出全新的750 A/3300 V全SiC 2in1模块FMF750DC-66A,其内部包含SiC MOSFET及反并联SiC肖特基二极管(SBD)。为了降低模块封装内部电感(<10 nH)和提高并联芯片之间良好的均流,这款模块采用了一种被称为LV100全新的封装。 这款全新的全SiC功率模块的开关损耗比传统Si-IGBT功率模块的降低了大约80%。与现有采用硅器件的机车牵引系统相比,采用FMF750DC-66A逆变器的总功耗可降低30%。

  为了满足功率器件市场对噪声低、效率高、尺寸小和重量轻的要求,三菱电机正在加紧研发新一代沟槽栅SiC MOSFET芯片技术,该技术将进一步改善短路耐量和导通电阻的关系,并计划在2020年实现新型SiC MOSFET模块的商业化。

  60多年的技术沉淀与经验积累奠定了三菱电机在功率芯片和功率模块研发与制造方面的领先地位,这位 “优等生”却依旧以“创新不止,尽善尽美”严格要求自己。在未来的日子里,三菱电机还将继续以“优等生”的姿态,力争为业界带来一定的模范作用,以期为社会贡献更多更好的产品和服务,助力中国制造向更深层次迈进。


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