智能功率模块以性价比征服市场

上网时间: 2015年11月18日? 作者:Maggie Liu? 我来评论 【字号: ? ?小】

关键字:智能功率模块? IPM? 性价比?

为了提高性能并减少损耗,越来越多的电力电子设备选择使用功率模块来代替分立元件。根据市调机构IHS Technology的预测,到2018年,全球智能功率模块(Intelligent Power Module,IPM)市场的复合年均增长率接近10%,同期消费领域的年均复合增长率预计达到15.5%。面对当前市场对IPM在应用上的新需求,使得模块小型化、低功耗、完善的保护功能,以及更高的集成度等成为了功率器件厂商在技术开发上的重中之重。

性能价格比成为关键

智能功率模块在应用上所面对的主要挑战在于产品的性能价格比,一般来说,电力电子研发工程师在决定采用IPM前会评估整体解决方案的成本,并会与基于IGBT模块的方案作比较。

三菱电机机电(上海)有限公司半导体事业部大中国区技术总监宋高升表示:“出于终端客户对成本的紧迫需求,在变频家电领域使用的DIPIPM和工业领域使用的IPM,其市场价格逐年降低。但在电动汽车和铁道牵引应用领域,由于对可靠性的要求十分高,相应的IPM大多属于客户定制品,价格相对昂贵。”

智能功率模块以性价比征服市场_三菱电机机电(上海)有限公司半导体事业部大中国区技术总监宋高升_1
三菱电机机电(上海)有限公司半导体事业部大中国区技术总监宋高升

据介绍,三菱电机目前每月可生产600多万片DIP IPM模块,并实施100%功能测试,主要供应变频家电、工业变频器、伺服驱动器和机器人等行业市场。同时,三菱电机的IPM模块也正处于新一代技术的更替期,就变频家电应用来说,三菱电机正大力推广第6代DIPIPM用于空调压缩机驱动和变频洗衣机马达驱动,以替代原先使用的第5代DIPIPM;另外,三菱电机也在加速推广最新的SLIMDIP-S用于变频冰箱的压缩机驱动和变频空调的风机驱动中。这些新型IPM模块基本上都在上一代产品规格的基础上,提高了模块集成度,降低了系统总成本。

“智能功率模块开发与设计目标是降低器件成本和系统成本,”英飞凌科技(中国)有限公司工业功率控制事业部中国区总监于代辉同样说道,“英飞凌为设计工程师提供的IPM损耗和热仿真工具,为优化系统设计,提高系统功率密度提供了有力支持;同时,英飞凌也提供参考设计方案,帮助客户提高系统开发速度。”例如,英飞凌新一代的IPM已采用逆导型IGBT,把逆变器所需的续流二极管集成到IGBT芯片上去,这样不仅可以降低芯片成本,而且还能提高二极管芯片的散热性能。

创新设计提升安全性与集成度

从总体上看,效率、高功率密度、设计灵活性和安全性是IPM模块现阶段在技术开发上的重要方向。围绕这些面向,一批功率器件厂商纷纷推出了创新型的产品设计,不断完善保护功能,提高产品的现场应用可靠性;增加相同封装条件下的额定电流,以实现低功耗;并且提高模块的集成度,简化IPM周边电路的设计。

为了应对物联网(IoT)环境下实现身份验证的应用需求,英飞凌的创新功能提供了保护IPM的新方法。其推出的MIPAQ Pro模块集成了英飞凌安全微控制器,英飞凌证书已嵌入其中,以支持对原厂配件的身份验证。此外,该产品还可存储独立证书,实现对系统中已安装IPM的认证,这样一来,可长期保证原始系统的高质量和高可靠性。集成了身份认证的英飞凌IPM不仅可以追溯产品的现场运行情况,还可以使系统制造商受益于对售后业务的控制,如确保部件是由原厂提供,并确保只有授权过的服务商才能对系统进行维护和保养。

智能功率模块以性价比征服市场_英飞凌科技(中国)有限公司工业功率控制事业部中国区总监于代辉_2
英飞凌科技(中国)有限公司工业功率控制事业部中国区总监于代辉

于代辉还指出,如何突现智能功率模块IPM的“智能化”,也是关键所在。特别是在大功率应用的功率变换中(如风力发电用逆变器、光伏逆变器和大功率电机驱动等),英飞凌开发的IPM“MIPAQ Pro系列”在可靠耐用的封装中集成了IGBT、栅极驱动器、散热器、传感器、数控电子元件以及数据总线通信功能,这些高性能子系统可以提供高功率密度和大安全工作区(SOA),从而实现了高度模块化、更高的设计灵活性和安全性等性能。

在小功率IPM方面,在家电领域,更高的能效是未来发展的趋势,采用变频电机控制是提高能效的最佳解决方案,如变频冰箱就需要驱动120W 左右电机的IPM;变频空调为了提高舒适性和节能,室内风机也需要变频电机,这就需要驱动30W 左右电机的IPM,此外,小功率IPM也大量应用于电动工具领域。

在三菱电机新一代IPM模块开发上,针对不同的行业应用特点,产品技术开发的侧重点也各有不同。宋高升介绍道,针对DIPIPM (内置HVIC的双列直插式IPM)产品,系统采用第7代CSTBT或第3代RC-IGBT功率硅片技术实现低功耗;集成自举二极管和自举电阻,进一步减少周边电路所需的元件数量;改善内置LVIC的设计,使得温度检测的模拟输出具有更好的线性度和精确度;提升短路保护电流动作阈值的精确度,由原来的10%提升至±5%;实现更小封装,提升产品的性能价格比。

针对工业用IPM产品,三菱电机采用第7代CSTBT功率硅片技术实现低功耗;将温度检测点移到IGBT硅片的中心,使过温保护更精确;对六|合一的IPM,将所需控制电源的数量从4个减少到2个;针对欠压、过热和短路保护动作,输出不同的报警信号;允许客户通过端口设定内置功率管的开关速度,实现更好的EMI设计。而针对变频冰箱及小功率风机驱动应用,三菱电机推出了搭载新一代RC-IGBT(逆导型IGBT)硅片的SLIMDIP-S产品(5A/600V),相比于广泛应用在变频空调中的超小型DIPIPM,其内置功率硅片数量减少到6个,减少了内部焊接铝线数量,提高了可靠性;产品安装面积缩小31%;绝缘耐压从1500Vrms提升到2000Vrms;最高允许壳温从100℃提升到115℃,同时具备过热保护和温度模拟量输出功能;且自举电容的布线大大缩短。

IPM未来技术开发趋势

谈到智能功率模块技术未来的开发趋势,宋高升指出其主要体现在三个方面:即功率硅片技术、封装技术以及智能化技术。

在功率硅片技术方面,未来将加快将新一代半导体材料碳化硅(SiC)应用于IPM内部的功率开关管上。三菱电机已经开发出数款混合SiC和完全SiC智能功率模块,如用于变频空调的20Arms/600V混合碳化硅/完全碳化硅DIPPFC、用于太阳能逆变器的1200V/75A混合碳化硅/完全碳化硅IPM、用于伺服驱动的600V/200A混合碳化硅IPM等。目前三菱电机正在努力改进生产工艺,使其成本在不远的将来可以满足市场需求。

在封装技术上,除了目前流行于市场的标准封装之外,今后将开发基于专门应用领域的封装,以期进一步提高产品应用的可靠性;同时会改进模块内部构造和绑定线技术,以提升模块的可靠性和寿命。而在智能化方面,更先进的控制IC技术将进一步完善功率开关的门极驱动,减小短路电流,提高保护可靠性。此外,还可以考虑将控制电源、自举电路、ROM和DSP集成到模块内部,以逐步提升产品集成度。

于代辉也补充道:“功率半导体的发展趋势和设计挑战在于提高器件的功率密度及芯片的性能,降低IGBT和二极管的损耗。”为此,英飞凌正不断开发新的封装技术,如采用PQFN封装的μIPM尺寸为12×12×0.8mm,与同类产品比尺寸减小高达60%,可用在40~110W的电机驱动上,且不需要散热器,主要针对家电和小功率工业应用如电动工具。另据了解,通过成功收购国际整流器公司,为英飞凌带来了与IPM有高度互补性的产品组合;此外,英飞凌还于近期收购了和韩国LS工业系统公司成立的合资公司LS Power Semitech的所有已发行股份,进一步扩大了在不断增长的智能功率模块市场领域的业务范围。

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