FUJI-富士電機 第2代小容量IPM650V/50A、75A的系列化

近年來，在地球環境問題中，為了應對溫室氣體排放規定，以節省能源和節省資源為目的的小型化要求不斷增強。富士電機推出了集成變頻器電路組成所需要的功率器件及控制IC的第2代小容量IPM650V/50A、75A系列產品。本產品采用了“X系列”IGBT芯片技術，相比以往產品實現了更低損耗，同時采用了高耐熱封裝技術，將最大工作溫度提高到了150℃。由此提高了設備的節能性，實現了更大的輸出電流和框體的小型化。

/ 產品概要 /

圖1 產品外觀

表1 產品的主要特性

圖1是產品的外觀，表1是產品的主要特性。外形尺寸為79.0×31.0×7.8（mm），采用雙列直插結構，絕緣性符合UL1577標準。規格為650V/50A、75A，每種電流規格下根據有無過熱保護功能又各包含2種型號。

圖2 內部等效電路

圖2是2G-IPM的內部電路結構。2G-IPM是由6對低損耗IGBT和高速FWD組成的三相變頻電路。下臂IGBT是自帶電流檢測的IGBT（電流檢測IGBT：為了實現過電流保護，內置了主電路電流檢測功能的IGBT）驅動電路搭載了1塊驅動下臂IGBT的LVIC芯片，和3塊驅動上臂IGBT的HVIC芯片。另外還搭載了3塊BSD芯片，通過連接三個外接電容器可組成上臂驅動電源。因此，不需要外接絕緣電源，節省了安裝基板的空間。

/ 產品設計 /

▋器件設計

1.IGBT設計

圖3 IGBT芯片截面結構圖的比較

圖3是第1代小容量IPM（1G-IPM）用的IGBT芯片和2G-IPM用的IGBT芯片的截面結構比較。用于2G-IPM的IGBT芯片，是以X系列IGBT的薄晶圓和微細化技術為基礎。同一芯片上除了流過主電流的部分之外，還集成了用于檢測主電流的分流部分，以實現更好的過流保護。

圖4 VCE(sat) - Eoff均衡特性

圖4是IGBT導通電壓VCE(sat) - 關段損耗Eoff的均衡特性。本產品對漂移層的電阻率、厚度、電場終止(FS)層的屬性及表面通道密度進行了優化，相比1G-IPM用IGBT芯片改善了Vce(sat)，Eoff損耗降低了約56%。

2.FWD設計

圖5 dvr/dt-Err均衡特性

圖6 反向恢復電壓的FFT解析結果

FWD芯片的主要課題，一般是對產生干擾的反向恢復dvr/dt-Err的均衡特性，圖5是dvr/dt-Err的均衡性，圖6是用于1G-IPM和2G-IPM的FWD芯片在反向恢復時電壓波形的FFT解析結果的比較。本次采用的FWD以X系列的FWD芯片技術為基礎，對陽極擴散屬性及壽命控制進行了優化，并通過軟恢復特性，對均衡性進行了改善。通過以上改善，相對于1G-IPM。Err降低約55%，dvr/dt抑制了約15%，干擾預計可以降低10dbB左右。

▋封裝設計

圖7 封裝結構的截面圖

圖7是封裝結構的截面圖。封裝與目前正在量產的2G-IPM相同。通過該種結構，在絕緣層使用了含樹脂的鋁絕緣基板，因此保證了和密封樹脂之間的高粘合度。另外，1G-IPM中芯片發熱會經過綁定線傳至引腳，因此存在引腳溫度高的問題，通過采用使封裝內部綁定線的發熱散熱到鋁絕緣基板的結構，降低了引腳溫度的上升。

表2 可靠性測試結果（主要項目）

表2是主要的可靠性測試結果。額定650V/50A、75A的2G-IPM，為了保證和以往相同的可靠性，通過增大鋁綁定線的直徑，增厚銅箔等，抑制了隨著容許電流增大產生的發熱，同時對組裝工藝進行了優化，降低了隨著封裝大型化而產生的內部應力。

▋保護功能設計

圖8 過電流保護電路

圖8是過電流保護電路。在本次開發的2G-IPM中，作為實現過電流保護、短路保護手段，除了有和1G-IPM一樣、圖8（b）所示的外部分流電阻方式之外，還增加了圖8（a）所示的通過采樣電阻Rs對IPM內置電流檢測IGBT中流過的電流進行檢測的方式。在使用電流檢測IGBT與Rs檢測的方法中，由于可以減少分流電阻的個數，因此可降低系統成本以及節省安裝基板的空間。

/ 2G-IPM的效果 /

圖9 使用額定規格為650V/50A的2G-IPM、6馬力PAC假想中間負載時損耗的估算結果

圖9是針對相當于6馬力的商用空調（PAC），其處于中間負載時對變頻器損耗進行的估算結果。本次開發的2G-IPM，和1G-IPM相比損耗降低了約32%，有望實現APF的提高。

圖10 使用額定規格為650V/50A的2G-IPM、6馬力PAC假想最大負載時損耗的估算結果

圖11 使用額定規格為650V/50A的2G-IPM、6馬力PAC最大負載時溫度上升的估算結果

圖10該型號設備在最大負載時對變頻器損耗的估算結果，圖11是此時溫度上升的結果。在最大負載條件下，與1G-IPM相比損耗降低了約27%。而且溫度上升降低了約20℃。此外，將工作保證溫度范圍提高25℃，還有助于增加輸出電流、實現框體的小型化。

以上對第2代小容量IPM650V/50A、75A的系列化進行了說明。今后，大型空調、工業用變頻器和伺服系統的需求將不斷擴大，本產品便是滿足這些需求的產品之一，將來還會考慮將該系列擴大到1200V。

富士電機今后也會將實現系統整體節能作為使命，開發實現進一步差異化的產品。

文獻來源：岡山　健一等.專輯：有助于能源管理的功率半導體.富士電機技術期刊2019，Vol.C11 NO.1，P14~P17.