三菱電機功率器件的技術和產品趨勢.pdf
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在對環境的投入已成社會必然要求的背景下，可有效利用資源和能源的電力電子技術主角 — 功率器件的作用，也就顯得尤為重要。 我們三菱電機以“低損耗”和“小型化”功率器件的命題為基礎，時刻聽取大家的意見；迄今為止，以引領變頻器產品市場的智能功率模塊為首，已制造出眾多產品。 今后，為了各領域中欲創造高附加價值產品的企業客戶，將更進一步致力于功率器件的高功能化。不僅著眼于提高基本功能和開發新功能，還將致力于可提高開發設計及生產效率的集成技術、合乎客戶需求的高性價比封裝技術等方面的技術鉆研。 我們將充分發揮積累至今的綜合性技術以及技術人員的精神，通過為企業客戶創造有用的產品，掀起電力電子技術世界的新潮流，一如既往地致力于功率器件的開發，為建設未來環保型社會做貢獻。 在數百Hz〜數十kHz的領域中，三菱電機以IGBT元件為主要器件，開發和生產了可適用于電氣化鐵道、工業、汽車、醫療設備、消費電子等眾多領域的各種功率模塊。在此，向大家介紹這一領域中的產品和技術趨勢。 
IPM產品通過內置周邊電路，可縮短客戶的開發、設計時間，有利于減少生產線上的裝配工序數及設備小型化。最近，除工業用途外，在家電產品中也得到了廣泛的應用。而且，為有利于今后提高整體系統的效率，將繼續推進周邊零部件的集成化及系統控制、系統保護功能、以及含信息通信功能等在內的高功能化。 封裝在由分立式轉化為盒式的進程中，現已出現了通用封裝概念的NX系列，和用于電氣化鐵道等的大容量、高絕緣型。而且，還開發出可適用于半導體IC封裝技術的壓注模封裝，以DIPIPM™ 產品群為代表，以消費電子為中心不斷推廣發展。 被稱為新一代盒式封裝的NX系列，其封裝概念為利用基本零件的通用化和裝配流程的靈活性，靈活應對客戶需求，提高性價比。對盒體、底板、管腳、端子和盒蓋等基本零部件進行通用化的同時，通過裝配過程中改變管腳配置、主端子安裝位置等方式，可滿足各客戶需求。
在IPM中，將驅動電路內置于IGBT，并將溫度保護、控制電壓的欠壓保護、短路時的保護功能等一體化。現在的L系列，在此基礎上增加了EMI噪聲對策的柵極調整電路，還內置了各電流頻段中的噪聲減少功能。壓注模封裝的產品 DIPIPM™ ，應用IC的制作方法，實現全硅化，提高了生產效率。目前，正在推進往其中的控制IC里載入更多功能的技術開發。
同等產品（封裝尺寸）中獲取更多電流。反之，使必需電流實現更小封裝/產品的技術，已成為達到系統小型化及系統高電流密度的關鍵之一。 ２：第６代IGBT芯片開發 功率模塊共同點課題就是“低損耗”和“小型化”。邁向新一代繼續發展高功能化、高性能化，也是以解決這些課題為大前提來考慮的。因此需要開發出性能更優越功率芯片。 首先看看搭載于功率模塊中的功率芯片與系統功率損耗的關系。從80年開始，通過替換為使用雙極晶體管的第１代IGBT，就已產生了約30％的改善效果。其后從第１代更新到第３代，改善了約40％，切實降低了功率損耗，而目前的第５代為第1代的1/3〜1/4。這些損耗降低有利于實際應用中節省電力，尤其在室內空調等變頻家電產品達到了令人驚嘆的省電效果。
FOM值越大，性能就越高。
集電極到發射極的所經路線，可用若干電阻元件分解表示。初期產品平面型IGBT有JFET電阻元件。為改善這一問題，從第４代起導入溝槽結構，消除了 JFET電阻元件，降低了功率損耗。而第５代，更設計了可減小體電阻的載流子蓄積層，力求降低損耗。在第６代，我們繼續追求從結構上也降低損耗。
目前在第５代IGBT芯片上，開發并采用了降低損耗效果極佳的CSTBT™ 結構�，F在第６代IGBT芯片的開發也采用了CSTBT™ 結構。 第６代IGBT芯片開發的核心技術有以下兩點。改善短路耐量的結構技術 ––“雜質濃度分布曲線的優化”，和降低通態壓降、擴大電流通道的“晶圓微細加工”。 IGBT芯片中安裝的晶體單元數量決定電流導通順暢程度，因此如何縮短溝槽間隔，將更多的晶體單元安裝到IGBT芯片中，就成為關鍵。從模擬結果發現，若將溝槽間隔從目前的間距4µm壓縮到2.5µm時，功率損耗的基準導通電阻可降低約20〜30％。
采用這項技術，可以降低導通阻抗，但其弊端是導致安全工作區 （SOA） 變窄。為抑制這一弊端，確立了“優化濃度分布曲線”的技術。 柵極閾值電壓是決定短路耐量和安全工作區SOA的一項指標。閾值電壓低時，雖可獲得電流，但短路耐量會變短。反之，閾值電壓高時，短路耐量加強，但無法獲得電流。也就是說，以閾值電壓為參數，電流容量和短路耐量存在背反關系。為改善此背反關系，確立了“優化濃度分布曲線”的技術。 CSTBT™ 結構在構造上，雖有生產流程偏差容易影響閾值電壓等特性的問題，但第６代IGBT芯片利用高能離子注入技術優化濃度分布曲線，從結構上改善了生產流程偏差的影響。減少閾值電壓偏差可使SOA的設計更有余地。故可通過微細加工力求低損耗，還可確保SOA。
通過改善偏差，在與以往相同的感性負載短路下，保證時間為10µs
定常損耗中，開關損耗比第５代改善了約30%
除性能提高外，外觀比以往的NF系列尺寸縮小了約30％。
與第５代整體比較，通態壓降減小，偏差減半，從原來的±1V變成±0.5V。 在保持一般能力的同時，也確保了短路耐量和SOA，從整體上大幅度改善了權衡關系。 這些IGBT芯片從第５代到第６代發展的同時，二極管的技術開發也與時俱進。目標就是通過使VF溫度系數為正，及背面陰極部分厚度變薄，以降低通態壓降。
與以往250〜300µm的厚度相比，減少到一半以下，為100幾十µm
二極管還有一個很大的問題，即反向恢復工作時會引起電壓振蕩，成為噪聲源。二極管的特性決定在低溫、高壓、低電流的情況下，使之反向恢復工作時，會產生電壓振蕩。但與第６代IGBT芯片組合使用的二極管器件，通過優化濃度，可抑制電壓振蕩。
150A、1200V二極管芯片的驗證。在額定電流（300A）約1/15左右的23A/cm²低電流下，使之工作。圖為開關時的恢復波形
通態壓降和恢復損耗的關系。通態壓降變小時反向恢復電場變大。第６代比以往改善了約35％左右。 第６代IGBT芯片從FOM來說，比以往改善了約1.3倍。即在同一電流密度下使用時，損耗降低了約30％。二極管芯片的損耗也比以往產品降低了約30％。使用這些芯片的IGBT模塊實現了低損耗，抑制了二極管恢復動作時的電壓振蕩，做到了低EMI化。而且，利用封裝技術，進行通用封裝下更大容量產品的開發。 IPM及DIPIPM™ 方面，在力求低損耗和低EMI化的同時，更為提高功率密度，將可提高附加值的功能集成化，并結合到新一代產品中。 此外，關于比DIPIPM™ 更小容量即1A〜2A水平的產品方面，不采用模塊形式，而是開發出用硅片將整個電路單元全部裝入在內的芯片。1個半導體芯片即可構成變頻電路的單片機變頻器。含共三層變頻驅動用IGBT、保護電路、柵極驅動功能，也包括控制功能，全部單片化。最初目標 — 500V/1A級別的產品已進入開發收尾階段，可向客戶提供樣品。
功率器件通過各項技術改善，可控制功率密度也得以提高。用雙極晶體管構成的變頻器，功率密度為0.1 W/cc。體積為1 cc時，可控制功率密度為0.1 W左右。此數值IGBT芯片登場后，提升了一個數位，達到1 W /cc。而現在的第５代，已進化到可控制數W／cc的水平。按此趨勢，通過低損耗的探索和技術革新，今后也將持續進步。
由此，今后功率器件可望獲得更大的發展。 來源：三菱半導體 |
