關(guān)鍵字：智能功率模塊 IPM 性?xún)r(jià)比 科學(xué)實(shí)驗模塊
性能價(jià)格比成為關(guān)鍵
智能功率模塊在應用上所面對的主要挑戰在于產(chǎn)品的性能價(jià)格比，一般來(lái)說(shuō)，電力電子研發(fā)工程師在決定采用IPM前會(huì )評估整體解決方案的成本，并會(huì )與基于IGBT模塊的方案作比較。
三菱電機機電(上海)有限公司半導體事業(yè)部大中國區技術(shù)總監宋高升表示：“出于終端客戶(hù)對成本的緊迫需求，在變頻家電領(lǐng)域使用的DIPIPM和工業(yè)領(lǐng)域使用的IPM，其市場(chǎng)價(jià)格逐年降低。但在電動(dòng)汽車(chē)和鐵道牽引應用領(lǐng)域，由于對可靠性的要求十分高，相應的IPM大多屬于客戶(hù)定制品，價(jià)格相對昂貴。”
 三菱電機機電(上海)有限公司半導體事業(yè)部大中國區技術(shù)總監宋高升 |
據介紹，三菱電機目前每月可生產(chǎn)600多萬(wàn)片DIP IPM模塊，并實(shí)施100%功能測試，主要供應變頻家電、工業(yè)變頻器、伺服驅動(dòng)器和機器人等行業(yè)市場(chǎng)。同時(shí)，三菱電機的IPM模塊也正處于新一代技術(shù)的更替期，就變頻家電應用來(lái)說(shuō)，三菱電機正大力推廣第6代DIPIPM用于空調壓縮機驅動(dòng)和變頻洗衣機馬達驅動(dòng)，以替代原先使用的第5代DIPIPM；另外，三菱電機也在加速推廣最新的SLIMDIP-S用于變頻冰箱的壓縮機驅動(dòng)和變頻空調的風(fēng)機驅動(dòng)中。這些新型IPM模塊基本上都在上一代產(chǎn)品規格的基礎上，提高了模塊集成度，降低了系統總成本。
“智能功率模塊開(kāi)發(fā)與設計目標是降低器件成本和系統成本，”英飛凌科技(中國)有限公司工業(yè)功率控制事業(yè)部中國區總監于代輝同樣說(shuō)道，“英飛凌為設計工程師提供的IPM損耗和熱仿真工具，為優(yōu)化系統設計，提高系統功率密度提供了有力支持；同時(shí)，英飛凌也提供參考設計方案，幫助客戶(hù)提高系統開(kāi)發(fā)速度。”例如，英飛凌新一代的IPM已采用逆導型IGBT，把逆變器所需的續流二極管集成到IGBT芯片上去，這樣不僅可以降低芯片成本，而且還能提高二極管芯片的散熱性能。
創(chuàng )新設計提升安全性與集成度
從總體上看，效率、高功率密度、設計靈活性和安全性是IPM模塊現階段在技術(shù)開(kāi)發(fā)上的重要方向。圍繞這些面向，一批功率器件廠(chǎng)商紛紛推出了創(chuàng )新型的產(chǎn)品設計，不斷完善保護功能，提高產(chǎn)品的現場(chǎng)應用可靠性；增加相同封裝條件下的額定電流，以實(shí)現低功耗；并且提高模塊的集成度，簡(jiǎn)化IPM周邊電路的設計。
為了應對物聯(lián)網(wǎng)(IoT)環(huán)境下實(shí)現身份驗證的應用需求，英飛凌的創(chuàng )新功能提供了保護IPM的新方法。其推出的MIPAQ Pro模塊集成了英飛凌安全微控制器，英飛凌證書(shū)已嵌入其中，以支持對原廠(chǎng)配件的身份驗證。此外，該產(chǎn)品還可存儲獨立證書(shū)，實(shí)現對系統中已安裝IPM的認證，這樣一來(lái)，可長(cháng)期保證原始系統的高質(zhì)量和高可靠性。集成了身份認證的英飛凌IPM不僅可以追溯產(chǎn)品的現場(chǎng)運行情況，還可以使系統制造商受益于對售后業(yè)務(wù)的控制，如確保部件是由原廠(chǎng)提供，并確保只有授權過(guò)的服務(wù)商才能對系統進(jìn)行維護和保養。
 英飛凌科技(中國)有限公司工業(yè)功率控制事業(yè)部中國區總監于代輝 |
于代輝還指出，如何突現智能功率模塊IPM的“智能化”，也是關(guān)鍵所在。特別是在大功率應用的功率變換中(如風(fēng)力發(fā)電用逆變器、光伏逆變器和大功率電機驅動(dòng)等)，英飛凌開(kāi)發(fā)的IPM“MIPAQ Pro系列”在可靠耐用的封裝中集成了IGBT、柵極驅動(dòng)器、散熱器、傳感器、數控電子元件以及數據總線(xiàn)通信功能，這些高性能子系統可以提供高功率密度和大安全工作區(SOA)，從而實(shí)現了高度模塊化、更高的設計靈活性和安全性等性能。
在小功率IPM方面，在家電領(lǐng)域，更高的能效是未來(lái)發(fā)展的趨勢，采用變頻電機控制是提高能效的最佳解決方案，如變頻冰箱就需要驅動(dòng)120W 左右電機的IPM；變頻空調為了提高舒適性和節能，室內風(fēng)機也需要變頻電機，這就需要驅動(dòng)30W 左右電機的IPM，此外，小功率IPM也大量應用于電動(dòng)工具領(lǐng)域。
在三菱電機新一代IPM模塊開(kāi)發(fā)上，針對不同的行業(yè)應用特點(diǎn)，產(chǎn)品技術(shù)開(kāi)發(fā)的側重點(diǎn)也各有不同。宋高升介紹道，針對DIPIPM (內置HVIC的雙列直插式IPM)產(chǎn)品，系統采用第7代CSTBT或第3代RC-IGBT功率硅片技術(shù)實(shí)現低功耗；集成自舉二極管和自舉電阻，進(jìn)一步減少周邊電路所需的元件數量；改善內置LVIC的設計，使得溫度檢測的模擬輸出具有更好的線(xiàn)性度和精確度；提升短路保護電流動(dòng)作閾值的精確度，由原來(lái)的10%提升至±5%；實(shí)現更小封裝，提升產(chǎn)品的性能價(jià)格比。
針對工業(yè)用IPM產(chǎn)品，三菱電機采用第7代CSTBT功率硅片技術(shù)實(shí)現低功耗；將溫度檢測點(diǎn)移到IGBT硅片的中心，使過(guò)溫保護更精確；對六|合一的IPM，將所需控制電源的數量從4個(gè)減少到2個(gè)；針對欠壓、過(guò)熱和短路保護動(dòng)作，輸出不同的報警信號；允許客戶(hù)通過(guò)端口設定內置功率管的開(kāi)關(guān)速度，實(shí)現更好的EMI設計。而針對變頻冰箱及小功率風(fēng)機驅動(dòng)應用，三菱電機推出了搭載新一代RC-IGBT(逆導型IGBT)硅片的SLIMDIP-S產(chǎn)品(5A/600V)，相比于廣泛應用在變頻空調中的超小型DIPIPM，其內置功率硅片數量減少到6個(gè)，減少了內部焊接鋁線(xiàn)數量，提高了可靠性；產(chǎn)品安裝面積縮小31%；絕緣耐壓從1500Vrms提升到2000Vrms；最高允許殼溫從100℃提升到115℃，同時(shí)具備過(guò)熱保護和溫度模擬量輸出功能；且自舉電容的布線(xiàn)大大縮短。
IPM未來(lái)技術(shù)開(kāi)發(fā)趨勢
談到智能功率模塊技術(shù)未來(lái)的開(kāi)發(fā)趨勢，宋高升指出其主要體現在三個(gè)方面：即功率硅片技術(shù)、封裝技術(shù)以及智能化技術(shù)。
在功率硅片技術(shù)方面，未來(lái)將加快將新一代半導體材料碳化硅(SiC)應用于IPM內部的功率開(kāi)關(guān)管上。三菱電機已經(jīng)開(kāi)發(fā)出數款混合SiC和完全SiC智能功率模塊，如用于變頻空調的20Arms/600V混合碳化硅/完全碳化硅DIPPFC、用于太陽(yáng)能逆變器的1200V/75A混合碳化硅/完全碳化硅IPM、用于伺服驅動(dòng)的600V/200A混合碳化硅IPM等。目前三菱電機正在努力改進(jìn)生產(chǎn)工藝，使其成本在不遠的將來(lái)可以滿(mǎn)足市場(chǎng)需求。
在封裝技術(shù)上，除了目前流行于市場(chǎng)的標準封裝之外，今后將開(kāi)發(fā)基于專(zhuān)門(mén)應用領(lǐng)域的封裝，以期進(jìn)一步提高產(chǎn)品應用的可靠性；同時(shí)會(huì )改進(jìn)模塊內部構造和綁定線(xiàn)技術(shù)，以提升模塊的可靠性和壽命。而在智能化方面，更先進(jìn)的控制IC技術(shù)將進(jìn)一步完善功率開(kāi)關(guān)的門(mén)極驅動(dòng)，減小短路電流，提高保護可靠性。此外，還可以考慮將控制電源、自舉電路、ROM和DSP集成到模塊內部，以逐步提升產(chǎn)品集成度。
于代輝也補充道：“功率半導體的發(fā)展趨勢和設計挑戰在于提高器件的功率密度及芯片的性能，降低IGBT和二極管的損耗。”為此，英飛凌正不斷開(kāi)發(fā)新的封裝技術(shù)，如采用ＰＱＦＮ封裝的μIPM尺寸為12×12×0.8mm，與同類(lèi)產(chǎn)品比尺寸減小高達60%，可用在40~110W的電機驅動(dòng)上，且不需要散熱器，主要針對家電和小功率工業(yè)應用如電動(dòng)工具。另?yè)私?，通過(guò)成功收購國際整流器公司，為英飛凌帶來(lái)了與IPM有高度互補性的產(chǎn)品組合；此外，英飛凌還于近期收購了和韓國LS工業(yè)系統公司成立的合資公司LS Power Semitech的所有已發(fā)行股份，進(jìn)一步擴大了在不斷增長(cháng)的智能功率模塊市場(chǎng)領(lǐng)域的業(yè)務(wù)范圍。
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