富士電機功率半導體的現狀與展望

富士電機以“在能源與環境事業中為實現可持續發展社會做貢獻”為經營方針，在包括供應鏈在內的整個企業活動中推進SDGs，致力于解決氣候變暖為首的社會與環境課題。

為實現這一目的，提高在各系統中電力電子設備的效率、以及驅動這些設備的功率半導體器件的性能就變得尤為重要。

富士電機 | 功率半導體應用領域

富士電機可根據使用用途提供各種功率半導體器件。

1、小容量設備領域

富士電機開發了家電產品電機驅動系統小容量IPM、功率調節器和不間斷電源裝置等電力轉換用產業用IGBT、電力轉換用超結SJ-MOSFET。

2、中容量設備領域

富士電機推出了可用于通用變頻器、機床與機器人的伺服電機控制、商用空調的電機控制、UPS電力轉換等產業用IGBT模塊。

如今，世界各國開始從汽油車向xEV轉換，預計今后車載用功率半導體的需求也會因此擴大。而在車載用途方面，富士電機已經擁有了可用于xEV電機控制的IGBT模塊。

3、大容量設備領域

我們可提供如風力發電等可再生能源的電力轉換、鐵路車輛電機的可變速驅動中所用的IGBT模塊等。

此外，我們還開發了具有低損耗、高耐壓、可高溫工作等卓越特點的下一代功率半導體——碳化硅(SiC)功率半導體器件。

下面將對富士電機在功率半導體開發方面的先進成果進行簡單舉例總結。

第7代“X系列”產業用

1200V/2400A RC-IGBT模塊

通過對芯片和封裝的技術革新，富士電機實現了第7代“X系列”IGBT模塊的產品化，并憑借IGBT模塊的低損耗化和高可靠性，實現了高功率密度化。

此外，我們還開發了一種使IGBT和FWD單芯片化的RC-IGBT，它在損耗降低的同時還可減少芯片數量和總芯片面積，以實現更高的功率密度。

我們會將此次開發的搭載了RC-IGBT的1200V/2400A額定PrimePACK?3+加入到產品系列中。

PrimePACK?：

Infineon Technology AG的商標或注冊商標。

通過可大幅降低集電極、發射極飽、電壓VCE(sat)的X系列芯片技術，和應用了可改善飽和電壓與開關損耗權衡關系的高度優質的薄晶圓加工技術，電力損耗比傳統產品降低了16%。

此外，X系列RC-IGBT模塊還大幅降低了熱阻，在相同條件下可實現更高的額定電流。

同時，由于采用了高耐熱硅膠，它能將連續工作時的最高結溫提升至175℃，有效保障了其高可靠性。

第2代1200V All-SiC模塊

產品系列擴大

目前，使用了Si的功率半導體器件特性已接近其材料物性的理論研究界限，因此，SiC作為可超越Si的下一代半導體材料備受矚目。

2017年，富士電機向市場推出了All-SiC 2in1模塊，該模塊將“采用溝槽型柵結構的第1代SiC-MOSFET芯片”搭載在全模封裝中，額定容量為1200V/400A。

現今，為擴展該產品系列，富士電機使用Si-IGBT模塊的標準封裝 (W:108mm D:62mm)，開發了確保外形和端子配置兼容性的All-SiC 2in1模塊，采用第2代SiC-MOSFET芯片，將額定容量擴展到1200V/600A，封裝主端子部分采用層壓結構，降低了內部電感。

仿真結果表明，與Si-IGBT模塊相比，此次開發的All-SiC模塊在輸出電流Io(rms)＝200A的條件下，載波頻率在5kHz、20kHz時可降低較多變頻器功率損耗。

因此，利用此模塊可以降低損耗，以實現高密度化和大容量化。

另外，通過開關的高頻化，可使用小型無源器件，使電力電子設備實現小型化。

采用小型封裝“P644”的

第7代“X系列”IGBT-IPM

IPM是在“由IGBT和FWD構成的IGBT模塊”中內置了IGBT柵極驅動電路和保護電路的高性能IGBT模塊。

為滿足電力轉換裝置進一步小型化、高效率化、高輸出化的要求，在應用第七代芯片技術和封裝技術的“X系列”IPM系列中，我們使用了行業高效減少尺寸級別的“P644”封裝。

X系列IPM“P644”的產品系列中：

額定電壓650V系有50A和75A

額定電壓1200V系有25A和35A

與同范圍的V系列IPM 7in1“P636”相比，

冷卻器上的模塊設置面積縮小了12%。

另外，X系列IPM還具有以下優勢：

1、通過表面溝槽型柵結構的微細化和薄晶片的加工技術使漂移層變薄。同時借助應用第7代芯片技術改善了IGBT關斷損耗和導通損耗的均衡特性，并對降低開關時的開通損耗的柵極驅動電路進行優化等手段，大幅降低了功率損耗。

2、為實現高溫工作，本產品采用了高耐熱凝膠和高可靠性焊錫等，將Tvjop從V系列的125℃擴大到了150℃。

3、在下橋臂保護動作時，制動單元IGBT可獨立動作，從而防止半導體元件過電壓而造成破壞。

借助上述新技術，X系列IPM與V系列相比，除小型化的優勢外，還實現了更高的輸出功率。

本文對富士電機在功率半導體開發方面的先進成果進行了簡單介紹。

當前社會對節能化、低碳化、無碳化等環境問題的關注日益高漲，電力電子是應對上述問題的關鍵技術，而功率半導體正是電力電子中的關鍵器件。今后，本公司會繼續通過技術革新，為實現可持續發展的社會做出貢獻。

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富士電機功率半導體的現狀與展望

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