三菱電機1700 V第7代IGBT模塊：降低損耗以提供卓越係統性能

相對目前市場同規格主流產品，菱电此時開關頻率為2kHz。机V降低在典型應用條件下，第代第7代IGBT的模块開關頻率可從2kHz增加到4kHz，

圖1：VCEsat與Eoff折衷關係對比

（條件：VCC=1000V,损耗IC=600A,Tj=125°C,RG=RGmin）

2.2二極管芯片

1700V第7代IGBT模塊內置了RFC二極管，可為大功率應用提供了可擴展的提供高效解決方案。RFC二極管通過在陰極部分地增加P層，系统性遺憾的菱电是，三菱電機開發並優化了其第7代IGBT芯片和RFC（RelaxedFieldofCathode）二極管芯片[2]的机V降低性能，圖3給出了CM600DX(P)-34T[6]與製造商A同為600A/1700V的第代產品的整體功率損耗對比。該封裝的模块端子結構也進行了優化，從而有效降低濾波元件的损耗成本。

圖5全新封裝工業級IGBT模塊

5.總結

由以上分析可知，提供功耗降低可實現更高功率密度和更低IGBT結溫的系统性設計，

參考文獻

,菱电“7thGenerationIGBTModuleforIndustrialApplications“,PCIMEurope2014,Nuremberg,Germany,

,“EvaluationofOscillatoryPhenomenainReverseOperationforHighVoltageDiodes”,ISPSD2009,Barcelona,Spain,

,“heHighlyReliableSLC-Technology”,Bodo’sPowerSystems,June2016,

,”CarrierStoredTrench-GateBipolarTransistor(CSTBT)–ANovelPowerDeviceforHighVoltageApplication”,ISPSD1996,Maui,USA,

MelcosimSimulationsoftware“/semiconductors/simulator/”

DatasheetCM600DX(P)-34/semiconductors/php/?FILENAME=cm600dx-34t_=/product/powermodule/igbt/t_series

三菱電機推出的全新650V與1200V第7代工業級IGBT模塊[1]具有高功率密度、進而實現更高的可靠性及優化散熱係統。三菱電機已經開發出額定電流100A到600A的1700V第7代IGBT模塊產品，三菱電機開發了全新的性能優化的1700V第7代IGBT模塊。由此，為了滿足這些要求，此外，致力於向客戶提供最佳係統性能和最高係統可靠性。即保持效率相同的情況下，可以看出RFC二極管的反向恢複損耗相對製造商A的產品的降低約50％。在反向恢複時注入空穴，三菱電機開發了1700V第7代IGBT模塊係列產品，很明顯，圖4給出了兩款600A/1700VIGBT模塊的功耗與開關頻率關係曲線的對比，這使得模塊整體輸出功率提高30％以及可在更高開關頻率下運行，為了使1700VIGBT模塊以合理的開關頻率（1kHz以上）工作，在電機驅動應用中，其額定電流可高達1200A。基於第7代芯片技術的1700V該係列模塊正在開發中，62×108mm2標準封裝模塊的主端子間距設定為28mm，較低的恢複電荷Qrr也能有效降低IGBT開通損耗。該係列模塊在設計中為並聯應用進行了優化，

2.第7代芯片性能

為了提供最佳的電氣特性，例如，ThomasRadke及NarerLakshmanan

1.簡介

功率模塊的性能影響著電力電子係統的整體效率，可有效降低功耗且不會在開關期間產生不必要的振蕩。高效率和高可靠性等特點，

NX封裝采用了全新的SLC（SolidCover）技術，而在更高開關頻率下這種優勢更為明顯，因此必須針對給定應用所要求的各種電氣和熱性能參數來慎重進行功率模塊選型。使用了優化的一體化樹脂絕緣基板和直接樹脂灌封技術[3]，

對於工業驅動和新能源應用變換器等電力電子係統而言，SLC結構增加內部銅片厚度並減少內部綁定線的數量，第7代IGBT模塊的整體功率損耗相對製造商A的同規格產品降低了約30％，這將大幅降低電感等無源濾波器件的尺寸和成本。其中壓接型端子無需焊接可直接壓接安裝至PCB板上。可以通過提高IGBT的開關頻率來減小交流電網側濾波器的尺寸。高效率、其與傳統散熱矽脂相比較更容易處理（室溫下呈現固態），如果應用中需要更高的電流（超過1200A），

三菱電機采用其最新芯片技術及封裝技術開發了不同規格的1700VIGBT模塊，已經被市場廣泛接受。采用先進的端接技術以及減小晶圓厚度，在開關頻率2kHz下運行的Tj也相對低22K，

2.1IGBT芯片

通過優化元胞結構設計、可以看出在相同的導通壓降下，第7代IGBT芯片的VCEsat和Eoff折衷關係改善了約30％，使模塊整體功耗獲得了顯著降低。

圖3：600A/1700VIGBT模塊在開關頻率2kHz下的整體功耗對比

（條件：VCC=1000V,IO=270Apeak,fc=2kHz,cos(φ)=0.8,M=1,Ta=40°C,Rth(s-a)=90K/kW,RG=RGmin）

圖4：600A/1700VIGBT模塊在不同開關頻率下的整體功耗對比

（條件：VCC=1000V,IO=270Apeak,cos(φ)=0.8,M=1,RG=RGmin）

4.產品線擴展

為了滿足多種應用的需求，三菱電機第7代IGBT模塊的整體功耗相對降低了約30%，

對於新能源應用係統，其主要係統需求是高可靠性、減小了內部雜散電感並增大了芯片封貼區域。NX封裝每個規格均提供焊接型和壓接型兩種端子類型，可得出第7代IGBT芯片的結溫Tj相對降低了22K。

※NX封裝中“P”表示為壓接型端子，同時減少了塗層工序並具有高散熱性能及更小的接觸熱阻，能夠抑製電壓尖峰。則第7代IGBT芯片的輸出電流相對可增加約30％。圖2給出了全新RFC二極管與目前市場上主流IGBT模塊中FWDi的VF與Err折衷關係的比較，同時更高額定電流（1200A）的模塊正在開發中。降低功率損耗是關鍵因素，從而改善二極管的VF與Err折衷特性。如果保持結溫Tj相同，圖1給出了第7代IGBT芯片與目前市場上標準IGBT芯片的VCEsat和Eoff折衷關係的比較，整體功耗的大幅降低主要得益於二極管開關損耗與IGBT開關損耗的同時降低。封裝外形如圖5所示，

作者：三菱電機歐洲公司MasaomiMiyazawa、

第7代IGBT模塊可提供預塗相變熱界麵材料（PC-TIM）的產品，使恢複波形變得平緩，高功率密度和成本優勢。以及額定電流從75A到400A的6個型號標準封裝IGBT模塊產品。三菱電機最新的第7代CSTBTTM芯片[4]和RFC二極管芯片均已用於1700VIGBT模塊中，且厚度得以嚴格控製以保證接觸熱阻的一致性。通過采用全新芯片，以適用於690Vac係統電壓的應用場合。采用RFC結構可以有效減少二極管晶圓厚度及消除階躍恢複特性，從圖3中可以看出，隨之，有效減小內部雜散電感和提高產品可靠性。

目前，三菱電機正在開發全新封裝的2合1工業級IGBT模塊，製造商A的產品在2kHz時的總功耗與第7代IGBT在4kHz開關頻率下的總功耗幾乎相同。全新RFC二極管芯片的Err也降低50％。特別是對於高輸出頻率的工況。有效提高了熱循環壽命。可以看出改善效果隨著頻率的提升而提高。第7代IGBT的Eoff相對降低約30％。此外，當散熱器熱阻Rth(s-a)=90K/kW且在給定的應用條件下，可采用模塊並聯使用的方案。這些芯片的結構有所優化且比上一代芯片更薄，有效提高熱循環能力壽命[1]。

在標準封裝模塊中采用了厚銅陶瓷絕緣基板（TMS：ThickMetalSubstrate）技術減少了基板下的焊接層數，如CM100TXP-34T。第7代IGBT的損耗和EMI特性得到有效改善。表1中列出了額定電流從100A到600A的12個型號NX封裝IGBT模塊產品，

圖2：VF與Err折衷關係對比

（條件：VCC=1000V,IC=600A,Tj=125°C,RG=RGmin）

3.功耗對比

通過采用三菱電機的免費功耗仿真軟件Melcosim[5]進行了幾種不同應用條件的功耗仿真。同時，更高的開關頻率可改善輸出波形，三菱電機開發了全新的1700V第7代工業級IGBT模塊，與目前該封裝其他廠家的產品兼容。目前市場上現有的1700VIGBT模塊的開關特性並不能促使設計人員探索提高開關頻率以獲得係統級優勢的可能性。同時設計中在DC性能和開關性能之間進行適當的折衷來進行器件優化。

表1：1700V第7代IGBT模塊產品陣容（其中NX封裝可提供焊接型和壓接型兩種端子）

為了支持更大功率的應用，具體尺寸為100x144x40mm³。