三菱电机以SiC功率技术深耕家电、汽车、牵引和工业应用
2019-7-1 来源:汽车电子应用
三菱电机计划到2022年度,以功率半导体为中心的功率器件业务力争实现2000亿日元销售,且顺应IGBT的发展趋势,从第一代IGBT到第七代IGBT,三菱电机不断推陈出新。

“从未对创新懈怠,保持着一贯的技术迭代步伐。”这是三菱电机半导体的匠人心态。自1921年以来,深耕变频家电、工业、新能源、轨道牵引、电动汽车五大应用领域。如今,三菱电机研发推出的DIPIPMTM已成为变频家电领域不可或缺重要组成部分,而且其高速机车用HVIGBT模块也早已成为行业默认的标准。

过去一年,三菱电机在新能源发电特别是光伏、风力发电领域,推出基于LV100封装的新型IGBT模块。通过不断改善芯片技术,在轨道牵引应用领域,X系列HVIGBT不仅拓宽了安全工作区域度,提升了电流密度,而且增强了抗湿度和抗凝露鲁棒性,从而进一步提高了牵引变流器现场运行的可靠性。而在电动汽车领域,直接水冷型J1系列Pin-fin模块凭借封装小、内部杂散电感低的独特性能,获得了市场青睐。

在PCIM亚洲展2019上,三菱电机带来了19款功率模块并重点展示了表面贴装型IPM、大型DIPIPM+TM、X系列HVIGBT、和SiC MOSFET分立器件、全SiC高压模块5款新型功率模块。其中SiC  MOSFET分立器件和全SiC高压模块是国内首次展出。

拳头产品持续引领行业方向

目前,变频家电市场在快速增长。“可以说,三菱电机在家电领域已经是领导者,为了持续保持领先地位,三菱电机根据不同产品的细化提供更多的产品线迎合客户的要求。” 三菱电机半导体事业本部首席技术官Dr.Gourab  Majumdar说,通过“做小”产品和“做大”功率两个方向的延伸,三菱电机将进一步巩固自身在IPM及DIPIPMTM制造的经验。

据悉,三菱电机进攻小功率变频市场主要是为了开拓以空调风机、冰箱和洗碗机等家电新消费领域。去年,针对这一领域,三菱电机展出了用于变频家电的小型封装SLIMDIP-S/SLIMDIP-L,今年,三菱电机展出了更小封装的表面贴装型IPM,该产品采用RC-IGBT芯片实现更高的集成度,采用贴片封装,使得IPM体积更小;内置全面保护功能(包括短路/欠压/过温保护),可采用回流焊来降低生产成本。

(表面贴装型IPM)

现在很多变频空调在压缩机驱动上用了三菱的DIPIPMTM,在风机驱动上应用比较少,所以通过导入原有客户,三菱电机可以进一步扩展产品应用。目前,三菱电机这种新型的表面贴装型IPM已经在家电市场中获得客户认可。

为了适应变频市场高可靠性、低成本、小型化等的应用需求,三菱电机于上世纪开发了双列直插型智能功率模块——DIPIPMTM系列产品。DIPIPMTM通过内置HVIC,使其外围电路变得更加简单紧凑,节约了用户成本。从1997年正式推出DIPIPMTM到2019年1月,三菱电机DIPIPMTM产品已累计发货超过6.5亿片。

针对商用空调多联机,三菱电机将会推广大型DIPIPM+TM系列产品。今年,三菱电机大型DIPIPM+TM模块即将量产,额定电流覆盖更广。大型DIPIPM+TM模块具有完整集成整流桥、逆变桥以及相应的驱动保护电路,该产品采用第7代CSTBTTM硅片,内置短路保护和欠压保护功能以及温度模拟量输出功能和自举二极管(BSD)及自举限流电阻,额定电流覆盖50~100A/1200V,可以简化PCB布线设计,缩小基板面积。

(大型DIPIPM+)

DIPIPM+TM将DIPIPMTM系列产品的应用领域拓展至更高功率密度的交流传动上,可靠性进一步提高,失效率大幅降低,减少了工程师开发产品的周期。三菱电机半导体大中国区技术总监宋高升进一步解释,因为集成了相关的周边器件,使得客户可以将电路板做得更加简化,围绕功率模块的周边器件数量减少。

成为车用功率模块标杆

在三菱电机半导体大中国区市场总监钱宇峰看来,电动车作为城市环保的主力军,未来发展空间巨大。尽管现在汽油车连续几个月出现负增长,但是电动车的市场仍将蓬勃发展。据相关机构预测,2019年,整个电动汽车销量将达到150万台,到2020年,将达到500万台。而三菱在电动车领域,目前主推J1系列产品,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。

Dr.Gourab  Majumdar表示,从最开始跟一些日系的车厂开发到现在,在新能源车主驱驱动上,三菱电机已经拥有20多年的经验积累。最新J1系列功率模块实现了散热器和功率模块二合一,目前下一代具有更高性价比的产品已经正在研发。

在轨道牵引行业,三菱电机的HVIGBT模块已得到在全球轨道及交通市场的广泛认可,成为行业默认的标准。2019年,针对轨道牵引、电力传输和高可靠性变流器等应用领域,三菱电机半导体将会推广功率密度更高的X系列HVIGBT,涵盖传统封装、 LV100封装(6kV绝缘耐压)、HV100封装(10kV绝缘耐压)三种封装模式。

X系列HVIGBT进一步扩展3.3kV/4.5kV/6.5kV的电流等级,实现更大电流密度,该产品采用第7代CSTBTTM硅片技术和RFC二极管硅片技术,能够降低功率损耗;此外,该产品采用LNFLR技术减小结-壳热阻,全系列运行结温范围达到-50℃~150℃,安全工作区(SOA)裕量大,且无Snap-off反向恢复。

通过优化封装内部结构,X系列HVIGBT提高散热性、耐湿性和阻燃性,延长产品寿命。该系列采用传统封装,可兼容现有H系列和R系列HVIGBT,其中,LV100和HV100封装,交直流分开的主端子布局,利于并联应用;LV100和HV100封装,全新的封装结构,实现极低内部杂散电感。

(传统封装 )

(LV100封装(6kV绝缘耐压))

(HV100封装(10kV绝缘耐压))

抢占SiC市场制高点

SiC功率模块由于有耐高温、低功耗和高可靠性的特点,可以拓展更多应用领域。据权威机构预测,到2023年SiC功率市场总值将超过14亿美元,2017年至2023年的复合年增长率(CAGR)将达到29%。目前,SiC功率市场仍然主要受功率因数校正(PFC)和光伏(PV)应用中使用的二极管驱动。预计五年内,驱动SiC器件市场增长的主要因素将是MOSFET,该细分市场在2017~2023年期间的复合年增长率将达到惊人的50%。

三菱电机是将SiC技术应用于功率模块的先驱之一,已经发布了近三十款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。

此次国内首次展出的全SiC高压半桥模块(3.3kV/750A)也备受关注,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的均流效果,这款模块采用了一种被称为LV100全新的封装,采用交直流分开的主端子布局,利于并联应用并实现极低内部杂散电感。

“这款前沿产品,必将推动国内铁道牵引、电力传输和固态变压器领域新一轮高功率密度变换器的研究和开发。” 在此前接受采访时,三菱电机半导体大中国区技术总监宋高升说。

早在2013年,三菱电机供轨道交通车辆使用、搭载3.3kV的全SiC功率模块便已经实现了商业化,其后,三菱电机一直坚持致力于推广更节能的SiC功率模块以逐步取代传统的Si功率模块。与Si-IGBT模块相比,FMF750DC-66A具有更低的开关损耗,其Eon相对降低了61%,Eoff则相对减小了95%。

(FMF750DC-66A)

在车载充电器(OBC)、PFC、光伏发电应用领域,SiC SBD和SiC MOSFET两款分立器件产品同样值得期待。目前,电动汽车市场需求与日俱增,而通常所说的电动汽车包括电动乘用车和电动大巴。电动乘用车里多个地方需要用到功率器件,包括主驱变频器、OBC、助力转向等。三菱电机正在电动乘用车和电动大巴这两大市场同时发力,以进一步拓展功率器件的应用领域。

SiC SBD正向压降低,具有更高I²t,对抗浪涌电流有更强的能力;此外,该产品还具有更强的高频开关特性,可以使周边器件小型化(如电抗器),可应用于车载电子产品。

而SiC MOSFET采用第2代SiC工艺,沟槽栅型结构,具有低Ron和低反向恢复损耗,适合更高开关频率,既可应用于于工业级产品,也可应用于车载级产品。

未来,三菱电机将基于第2代沟槽型SiC-MOSFET芯片(6英寸)的SiC功率模块实现可批量生产,并逐步完善600V、1200V、1700V系列。与此同时,将应用SBD嵌入式平板型SiC芯片技术开发新一代3.3kV和6.5kV高压SiC-MOSFET模块。

2019年,大功率的半导体器件都处于缺货的状态,交货很紧。对于此, Dr. Gourab Majumdar表示,三菱电机除了自己投产建立晶圆厂之外,也正在找寻一些代工厂帮助其加工一些晶圆的工序,保证持续稳定的供货。事实上,与2016年、2017年相比较,2019年三菱电机的投资金额增长了2倍,对于未来的扩产计划,Dr.Gourab Majumdar很有信心。

在2018年度,三菱电机以位于日本熊本和中国的主力工厂为中心进行了投资。计划到2022年度,以功率半导体为中心的功率器件业务力争实现2000亿日元销售。

顺应IGBT的发展趋势,从第一代IGBT到第七代IGBT,三菱电机不断推陈出新,晶圆越来越薄,栅极与栅极之间距离越来越近,产品越来越小型化,实现小封装大电流产品的提升。Dr.Gourab  Majumdar称三菱电机下一代超级薄的晶圆会把性能指数调整得更高。

可以说,以“Changes for the  Better”为企业宣言,成就了三菱电机在功率半导体市场的领先地位。

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