IGBT將實現(xiàn)十一五規(guī)劃能源消耗降低20％的關(guān)鍵

中國十一五規(guī)劃已明確提出：單位國內(nèi)生產(chǎn)總值能源消耗比“十五”期末要降低20%左右。由于電力是目前中國主要的工業(yè)能源，因此要實現(xiàn)國家的這一宏大生態(tài)目標(biāo)，關(guān)鍵就是要有效降低工業(yè)生產(chǎn)過程中那些需要大電流和高電壓的應(yīng)用的功耗，如交流電機(jī)控制、逆變器、繼電器、UPS電源、開關(guān)電源、變頻器、有源濾波器、EPS電源、風(fēng)力發(fā)電設(shè)備、工業(yè)傳動裝置、電梯或輔助傳動設(shè)備、機(jī)車與列車用電源、以及供暖系統(tǒng)傳動裝置等工業(yè)自動化應(yīng)用。

所有這些交流控制應(yīng)用都需要一個能夠產(chǎn)生大電流和高電壓的核心功率器件，目前市場上的核心功率器件主要有MOSFET半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管、雙極型功率晶體管和絕緣柵雙極型功率晶體管IGBT。MOSFET場效應(yīng)晶體管具有開關(guān)速度快和電壓型控制的特點(diǎn)，但其通態(tài)電阻大，難以滿足高壓大電流的要求；雙極型功率晶體管雖然能滿足高耐壓大電流的要求，但沒有快速的開關(guān)速度，屬電流控制型器件，需要較大的功率驅(qū)動。因此MOSFET半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管和雙極型功率晶體管都不能滿足小型、高頻和高效率的要求，只有絕緣柵雙極型功率晶體管IGBT集MOSFET場效應(yīng)晶體管的高速性能和雙極型功率晶體管的低電阻性能于一體，具有電壓型控制、輸入阻抗大、驅(qū)動功率小、開關(guān)速度快、工作頻率高、安全工作區(qū)大等優(yōu)點(diǎn)，這使得IGBT器件成為了這些大功率工業(yè)自動化應(yīng)用的理想功率開關(guān)器件，因此能否有效地降低IGBT開關(guān)元件的功耗也就成為實現(xiàn)中國十一五規(guī)劃能源消耗總目標(biāo)的關(guān)鍵之一。

在即將于上海舉行的2007年慕尼黑電子展上，當(dāng)今最領(lǐng)先的IGBT器件供應(yīng)商，如三菱電機(jī)、塞米控、富士電機(jī)和英飛凌半導(dǎo)體等領(lǐng)先企業(yè)將為廣大的中國機(jī)電產(chǎn)品設(shè)計師帶來他們開發(fā)的最新IGBT產(chǎn)品。例如，三菱電機(jī)公司將帶來其第五代高性能、小型化、低損耗智能功率模塊(IPM)，它的主要特點(diǎn)有：采用第5代新溝槽型IGBT(絕緣柵雙極晶體管)硅片，絕緣電壓最高達(dá)2500V，其功耗比第一代產(chǎn)品降低70%，體積大大減小，而且低損耗；7單元和6單元緊湊封裝；通過采用新的ASIC控制di/dt減少EMI；在硅片上設(shè)置溫度傳感器，使過溫保護(hù)更精確；制動IGBT的額定電流提高到逆變IGBT的50%；最大輸出電流可達(dá)900A；開關(guān)頻率可高達(dá)20KHz。

三菱電機(jī)率先在IGBT硅片上集成了反向?qū)ǘO管，并成功開發(fā)出反向?qū)≧C-IGBT，這可進(jìn)一步減少模塊內(nèi)置硅片數(shù)量和配線數(shù)，以提高產(chǎn)品的性價比。采用散熱優(yōu)化的封裝結(jié)構(gòu)使產(chǎn)品的熱阻與以往產(chǎn)品相比減小了約一半（減小45%），散熱特性得到改善。同時，針對去年7月起實行的歐洲RoHS指令，該模塊外部端子的電鍍層采用完全無鉛焊料，模塊內(nèi)部的焊接也是完全無鉛化的，從而實現(xiàn)了模塊整體的無鉛化，完全滿足歐洲的RoHS標(biāo)準(zhǔn)。

英飛凌科技公司將帶來專為牽引驅(qū)動而優(yōu)化的全新IHM/IHV B系列IGBT功率模塊和全新緊湊型PrimePACKTM IGBT模塊系列。借助全新IHM/IHV B系列IGBT功率模塊，用戶可設(shè)計出能夠在嚴(yán)酷的環(huán)境下正常工作，全面滿足大負(fù)荷與溫度循環(huán)要求的高效功率變頻器，如電力機(jī)車、電車的牽引驅(qū)動裝置等。全新模塊擴(kuò)展了英飛凌上一代IHM-A模塊的功能和規(guī)格，實現(xiàn)了熱阻性能的改善和負(fù)荷循環(huán)能力的提高，并將運(yùn)行溫度提高至+150℃。
 
與同等尺寸的傳統(tǒng)變頻器相比，基于這種全新高功率模塊設(shè)計的變頻器的功率可提高50%。同時，因為IHM/IHV B模塊優(yōu)良的熱性能，運(yùn)用它設(shè)計的變頻器的輸出電流在典型的工況下可以使得輸出電流的能力提高50% ，例如，3,300V模塊的額定電流從1,200A升至1,500A，增幅高達(dá)25%。這種全新模塊的最大運(yùn)行溫度也從先前+125℃上升至+150℃。英飛凌還將這種模塊的最小貯存溫度從先前-40℃降低至-55℃。
 
IHM/IHV B系列模塊與成熟IHM-A系列產(chǎn)品完全兼容，這能夠讓用戶在不改變產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的情況下，進(jìn)行更新?lián)Q代。除改進(jìn)熱阻性能外，全新B系列模塊還可滿足一些要求非?？量痰膽?yīng)用，如電力機(jī)車或電車的牽引驅(qū)動裝置等對耐用性與可靠性的要求。在啟動與停止階段，這些牽引驅(qū)動裝置的溫度有很大的波動。為了滿足牽引驅(qū)動設(shè)備的性能需求，英飛凌為IHM/IHV B設(shè)計了碳化硅鋁（ALSiC）基板,與氮化鋁襯底結(jié)合使用，可將熱循環(huán)能力提高10倍。對于其他溫度變化幅度較小的應(yīng)用，如工業(yè)傳動、風(fēng)力發(fā)電和電梯等，英飛凌將提供使用銅基板的IHM/IHV B模塊。IHM/IHV B系列模塊的電流能夠做到3,600 A,電壓可達(dá)3,300 V。此外，這些新型模塊符合RoHS要求，并滿足NFF16-101和16-102的防火要求。

全新緊湊型PrimePACKTM IGBT模塊系列則可為各種工業(yè)傳動裝置以及風(fēng)力發(fā)電、電梯以及其它傳動設(shè)備、電力機(jī)車用電源及供暖系統(tǒng)傳動裝置，提供優(yōu)化型功率轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)解決方案。在這種基于創(chuàng)新型封裝概念的全新PrimePACKTM模塊中，IGBT芯片距基板緊固點(diǎn)更近，降低了基板與散熱器之間的熱阻。基于這些特點(diǎn)，與傳統(tǒng)模塊相比，能夠使內(nèi)部雜散電感降低60%左右。減少雜散電感對于消除尖峰過電壓是非常重要的。獨(dú)特的布局大大改善了熱分布，實現(xiàn)了整個模塊系統(tǒng)的低熱阻性能。最高運(yùn)行溫度從+125℃提高到+150℃，大大超出了先前模塊。英飛凌還將這種模塊的最小貯存溫度從先前-40℃降低至-55℃。這一面向功率變換器應(yīng)用的全新IGBT模塊，還能在相同阻斷電壓或模塊尺寸的條件下，使額定電流上升20%左右，或者在以相對較小的體積實現(xiàn)相同的功率損耗。 
    目前，英飛凌已經(jīng)推出了1,200V和1,700V兩個電壓級別的PrimePACKTM模塊，每個模塊都有兩種尺寸規(guī)格：89mm