英飞凌：应对功率器件挑战

2011年06月26日10:53:35 本网站我要评论(2)字号：T | T | T

在上海举行的PCIM Asia 2011展上，英飞凌科技展出的一系列创新产品和解决方案生动地诠释了大会的宣传口号“高能效之道（Energy–the efficient way）”。这些产品和解决方案可确保大幅降低电子设备和机器的能耗。

该公司工业功率器件亚太区市场部高级经理马国伟专门向记者介绍了这些产品采用的先进技术，正是这些功率器件的发展推动了电力电子行业的发展。

出色性能助推降低能耗

国际能源机构（IEA）预计，今后20年，全球能耗将增加35%以上。以电力形式消耗的能源，占全球总能耗的三分之一左右。电力一般要经过远距离输送，这个过程往往会损耗大量电力。巧妙地利用功率半导体，能够较大限度地降低发电、输配电和电源转换等环节的电力损耗，从而消除这种能源损失。利用这种节能芯片还可以大大提高电子设备和机器的能效，以确保较大限度地节省能源。随着全球人口数量不断增长，节能的重要性日益凸显。从某种意义上讲，提高能效也是较大的能源来源之一。

作为全球领先的功率半导体供应商，英飞凌通过提供IGBT（绝缘栅双极型晶体管）、CoolMOS™、OptiMOS™和碳化硅等产品，为降低全球能耗作出了巨大贡献。诸如电视机、计算机、电源装置、游戏机、服务器、电机和机器等各类电子和电气设备纷纷使用了英飞凌的节能芯片。

英飞凌及客户开发的系统应用

英飞凌的工程师在介绍产品

马国伟表示：“利用英飞凌节能半导体解决方案，较多可将全球总能耗降低25%。我们的产品的节能效果甚至超过了国际能效标准，因而能为我们的客户带来明显的竞争优势。”

六大新技术彰显功率优势

马国伟首先介绍了当今各种封装形式的IGBT，许多应用都对功率器件提出了新的挑战，包括高功率密度、高效率/低损耗、可靠性和生产效率等。为了应用更高的功率器件要求，英飞凌科技开发了600V/650V (IGBT4) 芯片技术。600V IGBT主要应用是220V 马达驱动、电源，以小功率为主；以及电动汽车、太阳能等功率大、追求高效率，对芯片技术有新要求的新兴应用。650V IGBT4主要为大电流、高杂散电感开关应用开发。此外，英飞凌的1200V IGBT HighSpeed3实现了一个新的里程碑，而ThinQ!™ SiC 也开创了二极管的模块时代。

接着，马国伟介绍了英飞凌科技的六大新技术：三电平解决方案、太阳能解决方案、高功率密度模块、下一代模块技术、压接技术和预涂导热脂工艺。

三电平解决方案

三电平技术的主要应用包括中压马达驱动（3.3kVac-4.16Vac、兆瓦级）、不间断电源/太阳能（几千瓦至几十千瓦、数百千瓦）。英飞凌提供全系列中小功率三电平模块产品。NPC1 EconoPACK™4、NPC2 EconoPACK™4和NPC1 EconoDUAL™3都是采用三电平的模块产品。其中NPC1为I-型电路，NPC2为T-型电路。

I-型电路的NPC1 EconoPACK™4

太阳能解决方案

马国伟认为，就太阳能逆变器应用产品而言，混合使用IGBT、MOSFET及SiC二极管功率器件可以达到较高效率及功率密度。英飞凌的太阳能解决方案包括单相太阳能逆变器逆变和升压Booster模块、太阳能逆变器升压Booster 模块，以及太阳能逆变器三电平-NPC2。

单相太阳能逆变器升压Booster模块三电平-NPC2

单相太阳能逆变器主要应用是太阳能逆变器，较大电压为600V DC，较大效率96-98%，输出功率约3-5kW。太阳能逆变器升压Booster 模块主要应用是太阳能逆变器，较大电压为1000V DC，较大效率98%，采用双路交替MPPT，每个模块输出功率约5/10KW。三电平-NPC2太阳能逆变器较大电压为1000V DC，较大效率98%，满足无功电流能力，可用于薄膜硅太阳能电池板，输出功率约25kW。

铜连接线工艺

高功率密度模块需要采用一些先进的工艺技术，英飞凌的FF600R12ME4 600A 1200V EconoDual3就是这样的产品。马国伟介绍说，在同等条件下，铜连接线的导电能力比铝连接线高50%，这也是一些高功率密度模块采用铜连接线的主要目的。

采用铜连接线的模块

采用铜连接线的EconoDUAL™3 600A 系列k 实现较大输出电流能力(600A)，降低了引线电阻，保证功率周次，满足风力发电、太阳能、电动汽车和马达驱动等需求

大功率密度及高温应用

马国伟表示，更长使用寿命、更高功率密度，以及允许使用新一代芯片的坚固的模块封装，这些正是开发新的功率模块所面临的主要挑战。新的应用领域提出了苛刻的电气和机械要求，例如城市公交车和货车等商用车辆的电动或混合动力驱动装置。这些车辆及所使用的器件，包括功率模块，必须承受很高的电应力和沉重的机械负荷（如撞击或震动），以及运行过程中温度的频繁变化。

EconoPACK™+ D 系列正是专门针对风力发电及太阳能发电系统和工业传动装置提出的较高要求而打造的。EconoPACK™+ D 系列额定电流较高为450A的较新一代1200V和1700V系列功率半导体模块。以业界享有盛誉的EconoPACK™+平台为蓝本，该系列可满足诸如可再生能源系统、商用电动车辆、电梯、工业驱动装置或电源等应用不断提高的要求。得益于诸如超声波焊接功率端子、优化基板结构或可靠的创新PressFIT压接式管脚技术等不计其数的改进和创新，英飞凌新推出的这些模块，能够让客户设计出坚固高效、外形小巧的功率转换器。

EconoPACK^TM+ D系列模块具备诸多优势

借鉴汽车行业广泛采用的做法，EconoPACK^TM+ D系列模块的控制管脚采用了极其可靠的PressFIT设计。用户可以直接将这种压接式管脚压入电路板，从而实现无焊无铅连接。但如果有必要，也可以将这种触点焊接到电路板上。因此，利用当前用于EconoPACK^TM +模块的标准装配和焊接工艺，即可轻松处理全新推出的D系列模块。

压接技术

PressFIT压接系列产品问世已经有几年了，其优势已逐渐为客户接受。PressFIT模块安装技术的特点包括：简洁的安装流程，可减少了模块装配时间，安装在PCB的任意面，提高PCB密度。由于是可靠的冷焊接技术，可实现低接触电阻，降低FIT率，实现IGBT模块的无铅化装配。这一技术已用于英飞凌的许多模块，如PressFIT Econo 2/3系列压接式模块、PressFIT EconoPack™ ４系列压接式模块。英飞凌还在PressFIT IGBT-Smart 1系列压接式模块中采用了更新的技术，仅需拧紧一个螺丝，便可实现灵活和快速的“焊接”和安装，双层弹性塑壳能够抵消对DCB应力，保护DCB，确保装配和使用过程中的可靠性。此外也实现了低接触电阻，降低了故障率。

一个螺丝便可实现灵活快速的“焊接”和安装

英飞凌还在不断探索下一代简易安装压接式模块，开发了Smart 2系列，进一步演绎了坚固及灵活的封装外框概念。

下一代简易安装压接式模块

预涂导热脂工艺

模块的功率密度越来越高，也导致了散热方面的问题。导热脂在高功率密度应用中可能出现的问题包括：模块与散热器的散热界面效果(Rthch)不确定；在高功率密度应用时，散热界面热阻Rthch轻微的变动对工作结温、可靠性及寿命影响巨大。

根据不同颜色显示预涂导热脂

为此，英飞凌开发了预涂导热脂模块TIM (ThermalInterface Module)

新技术。跟据模块内部布局——不同生产商的模块不同的图形来预涂导热脂。TIM 预涂导热脂模块采用独特的技术工艺，具有出色的模块与散热器的热阻，热阻长期稳定，不渗出、不干枯、不分离。

英飞凌：应对功率器件挑战

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