功率器件新技术和新产品
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当今各种封装形式的IGBT
EASY Smart 34mm 62mm
Econo2 Econo3 EconoDual2 EconoDual3
EconoPack+ Econo4 Hybridpack1 MiPAQ Hybridpack1
IHM/IHV Primepack PrimeSTack MODStack MODStack_HD
06/12/2011 Page 3 Copyright © Infineon Technologies 2010. All rights reserved.
电力电子行业发展
风力发电
马达驱动
太阳能
直流输电
焊接
电动汽车 机车牵引
电源
效率
可靠性
Page 4
提高功率密度
拓扑及控制
更高最高工作温度
更好的冷却
电气设计坚固性
提高芯片Tjmax
功率器件发展推动电力电子行业发展
提高效率
提高可靠性
低损耗器件
机械坚固性
降低Rthjc, Rthch
降低Esw, Econd
新拓扑的模块
更大更易实现的安全工作区
更高的寿命,可靠的安装
目标 方法 IGBT要求
内容
5/11/2011 Page 5 Copyright © Infineon Technologies 2011. All rights reserved.
减小芯片的损耗(芯片技术)
新的模块内部拓扑(三电平模块)
降低模块的热阻(TIM)
更高的寿命和更可靠的安装
英飞凌IGBT芯片发展
Discontinued In use In use Latest In use
• 采用n衬底,植入发射极
• 更低的开关损耗
• 正温度系数
• 加入场终止层,芯片变得更薄。
• 更低的饱和压降
• 更低的开关损耗
• 引入垂直沟槽栅沟道
• 进一步降低饱和压降
• 进一步优化内部各层参杂
• 开关损耗和开关特性得以优化
当今英飞凌芯片技术
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600V 芯片技术的发展
11/22/2011 Page 8 Copyright © Infineon Technologies 2011. All rights reserved.
IGBT2---IGBT3
di/dt 降低 25%.
饱和压降大大降低
更短的拖尾电流
关断损耗在同一水平
短路时间 6us
600V---650V
di/dt 进一步降低 关断损耗略微增加 短路时间 10us 耐压增加 50V
Highspeed3
饱和压降增加
接近CoolMOS的开关损耗
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VCEsat vs. switching losses
0
0,05
0,1
0,15
0,2
0,25
0,3
0,35
0,4
1 2 3 4 5
VCEsat [V]
Es
w (
Eo
n+E
off)
E3
T3
KS4
DN2
DLC
开关
损耗
饱和压降 VCEsat [V]
IGBT2 – KS4
IGBT2 – DN2
IGBT2 – DLC IGBT3 – E3
IGBT3 – T3
1200V IGBT 模块芯片家族
MePo - IGBT4 中功率 <1400A
HiPo - IGBT4 大功率 <3600A LoPo - IGBT4 小功率 <400A
典型值@ Tvj=125°C
-20% Eoff
MePo
HiPo
-15% Eoff LoPo
HighSpeed 3
H3-高频开关
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SiC二极管
SiC 对比 Si 更高的击穿电场
更高的导热率
更高的饱和电子漂移速度
更高的能带隙
Al wire-bond
epi layer
SiC substrate
backside metalization
field stop layer
polyimide
termination
增加了P参杂结
将肖特基二极管特性和双极性二极管特性相结合
拥有相当的冲击电流能力
拥有雪崩能力
0
5
10
15
20
25
30
35
40
0.00 2.00 4.00 6.00 8.00 10.00 12.00 14.00VF (V)
I F (
A)
Bipolar pn diode
forward characteristic
su
rge c
urr
en
t Schottky diode
forward
characteristic
Combined
characteristics
0
5
10
15
20
25
30
35
40
0.00 2.00 4.00 6.00 8.00 10.00 12.00 14.00VF (V)
I F (
A)
Bipolar pn diode
forward characteristic
su
rge c
urr
en
t Schottky diode
forward
characteristic
Combined
characteristics
Bipolar pn diode
forward characteristic
su
rge c
urr
en
t Schottky diode
forward
characteristic
Combined
characteristics
Page 11 22-Nov-11 Copyright © Infineon Technologies 2006. All rights reserved.
SiC肖特基二极管特性
二极管反向回复损耗几乎为零
反向回复没有震荡
取消了IGBT开通di/dt的限制
1700V IGBT总开关损耗降低至1/4
ThinQ!™ SiC 二极管的模块时代 600V / 1200V / 1700V –部分产品
1700V SiC二极管 用于三相逆变桥 EconoPACK™3
1200V SiC二极管用于PrimePACK™2,
EconoDual3半桥模块
1200V SiC二极管用于三相太阳能逆变器 NPC2 三电平和Boost Easy 模块
600V SiC二极管用于单相太阳能逆变器 Booster + H-Bridge 的 EasyFourPACK
06/12/2011
单相太阳能逆变器: 集成逆变和升压 Booster 模块
主要应用---太阳能逆变器 :
Max. 600V DC
效率 max. 96-98%
@ 20kHz 逆变器;40kHz Boost
输出功率约 3-5kW
D1
D5
T1
T2 T4
T3
T5
T1- T4: 650V IGBT
D1- D4 650V Emcon
T5: Coolmos
D5: SIC 600V
Thermistor: NTC
Salesname Package
F4-75R07W2H3_B51 Easy2B PressFit
F4-50R07W2H3_B51 Easy2B PressFit
太阳能逆变器: 升压 Booster 模块
主要应用---太阳能逆变器 :
Max. 1000V DC
效率 max. 98,x%
双路MPPT 5/10KW每模块
Salesname Description
DF160R12W2H3_B11 Booster Module
DF80R12W2H3_B11 Booster Module
内容
5/11/2011 Page 15
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降低芯片的损耗(芯片技术)
新的模块内部拓扑(三电平模块)
降低模块的热阻(TIM)
更高的寿命和更可靠的安装
三电平变流器 IGBT 模块解决方案
2011/11/22
三电平技术主要应用:
• 中压马达驱动: 3.3kVac-4.16Vac, 兆瓦级
• 不间断电源/太阳能: 几千瓦-几十千瓦 ……数百千瓦
中压马达驱动 拓扑:单管,半桥和高速二极管
规格:1.7/3.3/6.5kV
封装:
• PrimePACK™
• IHM/IHV
不间断电源/太阳能 拓扑:NPC1和NPC2 规格:650V/1200V、 封装:
• EasyB • EconoPACK™4 • EconoDUAL™3
NPC1拓扑和NPC2拓扑对比
2011/11/22
NPC1 NPC2
损耗 导通损耗更大些 开关损耗更大些
换流回路 有两个换流回路
长换流回路寄生电感偏大
仅一个换流回路
短路风险 几乎不可能桥臂直通
可能桥臂直通
关断逻辑需要 内管必须晚于外管关断
无特殊需要
两电平与 NPC1 和 NPC2损耗比较
2011/11/22
NPC1 NPC2
通态损耗(D) 600V IGBT *2 1200V IGBT
通态损耗(1-D) 600V IGBT +
600V Diode
600V IGBT +
600V Diode
开关损耗(IGBT) 600V IGBT 1200V IGBT
开关损耗(diode) 600V Diode 600V Diode
2 level
NPC2
NPC1
2011/11/22
换流回路
Output current
Output voltage
短换流回路
长换流回路
优化内部寄生电感
短换流回路(550V) 长换流回路(580V)
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Infineon 三电平NPC1模块解决放案
F3L30R06W1E3_B11
F3L50R06W1E3_B11
F3L75R07W2E3_B11
F3L100R07W2E3_B11
F3L150R07W2E3_B11
F3L200R07PE4
F3L300R07PE4
F3L400R07ME4_B22
F3L400R07ME4_B23
Easy1B
Easy2B
EconoPACK4
EconoDual2
内容
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降低芯片的损耗(芯片技术)
新的模块内部拓扑(三电平模块)
降低模块的热阻(TIM)
更高的寿命和更可靠的安装
Page 23 For internal use only
Thermal resistance
Chip
Solder
Copper Layer
Ceramic (Al2O3 / AlN)
Copper
Solder
Base Plate
Heatsink
Junction Temp. – Tj
Case Temp. – Tc
Heatsink Temp. – Th
Ambient Temp. – Ta
Chip – Case Tjc
Case – Heatsink Tch
Heatsink – Ambient Tha
Chip-Case
Thermal Resistance
– Rthjc
Input Power Output Power Power Loss
Tj = Tjc + Tch + Tha + Ta
Case-Heatsink
Thermal Resistance
– Rthch
Heatsink(-Ambient)
Thermal Resistance
– Rthha
Thermal Grease
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EconoDUAL™3 600A 系列
真正实现 EconoDUAL™3 最大输出电流能力
--- @ TC=100°C, Tvj=175°C
降低引线电阻 R CC‘EE‘
保证功率周次,满足风力发电,电动汽车需求
提供焊接/PressFIT 两种兼容版本 提供600V,1200V,1700V 全系列
,便于现有设计的功率升级 应用: 太阳能 风力发电 电动汽车 马达驱动
特别 DBC 改善了结对壳的热阻 降低 22%*
*模块实测 600A-EconoDUAL™3!
铜连接线
内容
5/11/2011 Page 25 Copyright © Infineon Technologies 2011. All rights reserved.
降低芯片的损耗(芯片技术)
新的模块内部拓扑(三电平模块)
降低模块的热阻(TIM)
更高的寿命和更可靠的安装
Press FIT 技术可靠性
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PressFIT IGBT Easy1B / 2B 系列 压接式模块
产品特点:
简洁的安装流程
¬减少了模块装配时间
可以安装在PCB的任意面
¬提高PCB密度
可靠的冷焊接技术
¬低接触电阻
¬降低FIT率
¬实现IGBT模块的无铅化装配
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PressFIT IGBT Smart 系列压接式模块
产品特点:
灵活和快速的方式
¬ 仅需拧紧一个螺丝,便可实现:
– “焊接”
– 安装
双层弹性塑壳能够抵消对DCB应力
¬ 保护DCB
¬ 确保装配和使用过程中的可靠性
可靠的冷焊接技术
¬ 低接触电阻
¬ 降低FIT率
¬ 实现IGBT模块的无铅化装配