IGBT——實(shí)現(xiàn)十一五規(guī)劃能耗降低20%關(guān)鍵之一
2007年慕尼黑上海電子展展前巡禮
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(shí)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(shí)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(jì)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。
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(jì)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(shí)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(jì)的變頻器的功率可提高50%。同時，因?yàn)镮HM/IHV B模塊優(yōu)良的熱性能，運(yùn)用它設(shè)計(jì)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常苛刻的應(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(jì)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(shí)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(shí)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×172mm和89mm×250mm。
不過，由于IGBT器件在高速開關(guān)過程中容易引起電壓和電流過沖問題，從而影響到逆變器的工作效率和工作可靠性，而且由于IGBT能承受的過流時間僅為幾微秒，與SCR和GTR(幾十微秒)等器件相比要小得多，因而對過流保護(hù)的要求就非常高。不過，你大可不必為此擔(dān)心，因?yàn)槟憧稍谔┛齐娮拥恼古_上找到你所需的各種自恢復(fù)電路保護(hù)解決方案，泰科電子瑞侃電路保護(hù)部可為你提供包括過流、過壓、過熱乃至靜電防護(hù)在內(nèi)的所有自恢復(fù)電路保護(hù)解決方案，從而為各種IGBT應(yīng)用的各種安全認(rèn)證提供了必要的保證。
例如，最近瑞侃電路保護(hù)部推出的2Pro器件系列產(chǎn)品，該系列產(chǎn)品集成了過電流/過電壓電路保護(hù)技術(shù)，擁有可復(fù)位和協(xié)同保護(hù)的功能。這一符合RoHS標(biāo)準(zhǔn)的2Pro系列器件將PolySwitch PPTC(聚合物正溫度系數(shù)熱敏電阻)過電流保護(hù)技術(shù)與MOV(金屬氧化物壓敏電阻)器件結(jié)合起來，使之成為一種創(chuàng)新的保護(hù)器件，有利于在過電流事故中抑制電流以及在過電壓事故中對電壓進(jìn)行箝位。這種由單一器件實(shí)現(xiàn)協(xié)同電路保護(hù)的方式，減少了部件的數(shù)量和提高了設(shè)備的可靠性。
2Pro型器件能夠幫助設(shè)備生產(chǎn)廠商達(dá)到UL 60950標(biāo)準(zhǔn)的要求，幷能夠使設(shè)備在經(jīng)過特定的雷擊試驗(yàn)后如常運(yùn)行。它還有助于讓設(shè)備滿足TIA-968-A、IEC 60950和ITU-T K.20/K.21標(biāo)準(zhǔn)下的浪涌測試要求。這款已經(jīng)列入U(xiǎn)L 497A規(guī)范的保護(hù)器件還有助于提供ESD靜電保護(hù)功能。
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(shí)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(jì)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。
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(jì)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(shí)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(jì)的變頻器的功率可提高50%。同時，因?yàn)镮HM/IHV B模塊優(yōu)良的熱性能，運(yùn)用它設(shè)計(jì)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常苛刻的應(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(jì)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(shí)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(shí)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×172mm和89mm×250mm。
不過，由于IGBT器件在高速開關(guān)過程中容易引起電壓和電流過沖問題，從而影響到逆變器的工作效率和工作可靠性，而且由于IGBT能承受的過流時間僅為幾微秒，與SCR和GTR(幾十微秒)等器件相比要小得多，因而對過流保護(hù)的要求就非常高。不過，你大可不必為此擔(dān)心，因?yàn)槟憧稍谔┛齐娮拥恼古_上找到你所需的各種自恢復(fù)電路保護(hù)解決方案，泰科電子瑞侃電路保護(hù)部可為你提供包括過流、過壓、過熱乃至靜電防護(hù)在內(nèi)的所有自恢復(fù)電路保護(hù)解決方案，從而為各種IGBT應(yīng)用的各種安全認(rèn)證提供了必要的保證。
例如，最近瑞侃電路保護(hù)部推出的2Pro器件系列產(chǎn)品，該系列產(chǎn)品集成了過電流/過電壓電路保護(hù)技術(shù)，擁有可復(fù)位和協(xié)同保護(hù)的功能。這一符合RoHS標(biāo)準(zhǔn)的2Pro系列器件將PolySwitch PPTC(聚合物正溫度系數(shù)熱敏電阻)過電流保護(hù)技術(shù)與MOV(金屬氧化物壓敏電阻)器件結(jié)合起來，使之成為一種創(chuàng)新的保護(hù)器件，有利于在過電流事故中抑制電流以及在過電壓事故中對電壓進(jìn)行箝位。這種由單一器件實(shí)現(xiàn)協(xié)同電路保護(hù)的方式，減少了部件的數(shù)量和提高了設(shè)備的可靠性。
2Pro型器件能夠幫助設(shè)備生產(chǎn)廠商達(dá)到UL 60950標(biāo)準(zhǔn)的要求，幷能夠使設(shè)備在經(jīng)過特定的雷擊試驗(yàn)后如常運(yùn)行。它還有助于讓設(shè)備滿足TIA-968-A、IEC 60950和ITU-T K.20/K.21標(biāo)準(zhǔn)下的浪涌測試要求。這款已經(jīng)列入U(xiǎn)L 497A規(guī)范的保護(hù)器件還有助于提供ESD靜電保護(hù)功能。
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編輯：news
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http:www.mangadaku.com/news/2007-1/200712511113.html
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文章標(biāo)簽： 節(jié)能降耗/IGBT/慕尼黑上海電子展
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