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三菱電機:匠心獨具 打造功率半導體行業“樣本”

  2019年07月05日  

  “從未對創新懈怠,保持著一貫的技術迭代步伐。”這是三菱電機半導體在60余年的漫長征程里彰顯出來的企業氣質。這家世界500強企業,始終保持著一顆低姿態、高標準、嚴要求的匠人心態,努力用產品說話。

  作為現代功率半導體器件的開拓者,自1921年以來,圍繞著變頻家電、工業、新能源、軌道牽引、電動汽車五大應用領域,以產品研發與技術創新為初心,三菱電機持續地推出一代又一代性能更優、性價比更高的產品。如今,三菱電機研發推出的DIPIPMTM已成為變頻家電領域不可或缺重要組成部分,而且其高速機車用HVIGBT模塊也早已成為行業默認的標準。

  過去一年,在推出新品和產品迭代的基礎上,三菱電機產品線更加全面。在新能源發電特別是光伏、風力發電領域,三菱電機在2018年順利推出基于LV100封裝的新型IGBT模塊。通過不斷改善芯片技術,在軌道牽引應用領域,X系列HVIGBT不僅拓寬了安全工作區域度,提升了電流密度,而且增強了抗濕度和抗凝露魯棒性,從而進一步提高了牽引變流器現場運行的可靠性。而在電動汽車領域,直接水冷型J1系列Pin-fin模塊憑借封裝小、內部雜散電感低的獨特性能,獲得了市場青睞。

  6月26日,PCIM亞洲展2019在上海世博展覽館隆重舉行,三菱電機半導體以其六十多年的技術經驗和積淀為我們帶來全新的技術盛宴。在此次展會上,三菱電機帶來了19款功率模塊并重點展示了表面貼裝型IPM、大型DIPIPM+TM、X系列HVIGBT、和SiC MOSFET分立器件、全SiC高壓模塊5款新型功率模塊。其中SiC MOSFET分立器件和全SiC高壓模塊是國內首次展出。

  在媒體發布會上,三菱電機就最新的Si功率芯片、SiC功率芯片技術,面向家電、汽車、牽引和工業應用的新型功率模塊,以及下一代產品布局進行了全面的闡述。

拳頭產品持續引領行業方向

  目前,國家對于家電變頻化率要求越來越高,變頻家電市場份額也在快速增長,對處在變頻家電產業鏈上游的功率半導體企業來說,也將迎來一個全新的市場機遇期。

  “可以說,三菱電機在家電領域已經是領導者,為了持續保持領先地位,三菱電機根據不同產品的細化提供更多的產品線迎合客戶的要求。” 三菱電機半導體事業本部首席技術官Dr.Gourab Majumdar說,通過“做小”產品和“做大”功率兩個方向的延伸,三菱電機將進一步鞏固自身在IPM及DIPIPMTM制造的經驗。

  據悉,三菱電機進攻小功率變頻市場主要是為了開拓以空調風機、冰箱和洗碗機等家電新消費領域。去年,針對這一領域,三菱電機展出了用于變頻家電的小型封裝SLIMDIP-S/SLIMDIP-L,今年,三菱電機展出了更小封裝的表面貼裝型IPM,該產品采用RC-IGBT芯片實現更高的集成度,采用貼片封裝,使得IPM體積更小;內置全面保護功能(包括短路/欠壓/過溫保護),可采用回流焊來降低生產成本。

表面貼裝型IPM

  現在很多變頻空調在壓縮機驅動上用了三菱的DIPIPMTM,在風機驅動上應用比較少,所以通過導入原有客戶,三菱電機可以進一步擴展產品應用。目前,三菱電機這種新型的表面貼裝型IPM已經在家電市場中獲得客戶認可。

  為了適應變頻市場高可靠性、低成本、小型化等的應用需求,三菱電機于上世紀開發了雙列直插型智能功率模塊——DIPIPMTM系列產品。DIPIPMTM通過內置HVIC,使其外圍電路變得更加簡單緊湊,節約了用戶成本。從1997年正式推出DIPIPMTM到2019年1月,三菱電機DIPIPMTM產品已累計發貨超過6.5億片。

  針對商用空調多聯機,三菱電機將會推廣大型DIPIPM+TM系列產品。今年,三菱電機大型DIPIPM+TM模塊即將量產,額定電流覆蓋更廣。大型DIPIPM+TM模塊具有完整集成整流橋、逆變橋以及相應的驅動保護電路,該產品采用第7代CSTBTTM硅片,內置短路保護和欠壓保護功能以及溫度模擬量輸出功能和自舉二極管(BSD)及自舉限流電阻,額定電流覆蓋50~100A/1200V,可以簡化PCB布線設計,縮小基板面積。

大型DIPIPM+

  DIPIPM+TM將DIPIPMTM系列產品的應用領域拓展至更高功率密度的交流傳動上,可靠性進一步提高,失效率大幅降低,減少了工程師開發產品的周期。三菱電機半導體大中國區技術總監宋高升進一步解釋,因為集成了相關的周邊器件,使得客戶可以將電路板做得更加簡化,圍繞功率模塊的周邊器件數量減少。

成為車用功率模塊標桿

  在三菱電機半導體大中國區市場總監錢宇峰看來,電動車作為城市環保的主力軍,未來發展空間巨大。盡管現在汽油車連續幾個月出現負增長,但是電動車的市場仍將蓬勃發展。據相關機構預測,2019年,整個電動汽車銷量將達到150萬臺,到2020年,將達到500萬臺。而三菱在電動車領域,目前主推J1系列產品,已涵蓋650V/300A~1000A、1200V/300A~600A的容量范圍,基本上可滿足30kW~150kW的電驅動峰值功率的應用要求。

  Dr.Gourab Majumdar表示,從最開始跟一些日系的車廠開發到現在,在新能源車主驅驅動上,三菱電機已經擁有20多年的經驗積累。最新J1系列功率模塊實現了散熱器和功率模塊二合一,目前下一代具有更高性價比的產品已經正在研發。

  在軌道牽引行業,三菱電機的HVIGBT模塊已得到在全球軌道及交通市場的廣泛認可,成為行業默認的標準。2019年,針對軌道牽引、電力傳輸和高可靠性變流器等應用領域,三菱電機半導體將會推廣功率密度更高的X系列HVIGBT,涵蓋傳統封裝、 LV100封裝(6kV絕緣耐壓)、HV100封裝(10kV絕緣耐壓)三種封裝模式。

  X系列HVIGBT進一步擴展3.3kV/4.5kV/6.5kV的電流等級,實現更大電流密度,該產品采用第7代CSTBTTM硅片技術和RFC二極管硅片技術,能夠降低功率損耗;此外,該產品采用LNFLR技術減小結-殼熱阻,全系列運行結溫范圍達到-50℃~150℃,安全工作區(SOA)裕量大,且無Snap-off反向恢復。

  通過優化封裝內部結構,X系列HVIGBT提高散熱性、耐濕性和阻燃性,延長產品壽命。該系列采用傳統封裝,可兼容現有H系列和R系列HVIGBT,其中,LV100和HV100封裝,交直流分開的主端子布局,利于并聯應用;LV100和HV100封裝,全新的封裝結構,實現極低內部雜散電感。

  傳統封裝;LV100封裝(6kV絕緣耐壓) ;HV100封裝(10kV絕緣耐壓)

搶占SiC市場制高點

  SiC功率模塊由于有耐高溫、低功耗和高可靠性的特點,可以拓展更多應用領域。對于以后開拓新市場來說,SiC是最好的選擇。毋庸置疑的是,SiC已經成為各企業爭相布局的下一個制高點。

  據權威機構預測,到2023年SiC功率市場總值將超過14億美元,2017年至2023年的復合年增長率(CAGR)將達到29%。目前,SiC功率市場仍然主要受功率因數校正(PFC)和光伏(PV)應用中使用的二極管驅動。預計五年內,驅動SiC器件市場增長的主要因素將是MOSFET,該細分市場在2017~2023年期間的復合年增長率將達到驚人的50%。

  三菱電機是將SiC技術應用于功率模塊的先驅之一,已經發布了近三十款SiC功率模塊,包括Hybrid-SiC-IGBT模塊、Hybrid-SiC-IPM、Full-SiC-MOSFET模塊和Full-SiC-IPM等。其SiC功率模塊產品線涵蓋額定電流15A~1200A及額定電壓600V~3300V,目前均可提供樣品。

  此次國內首次展出的全SiC高壓半橋模塊(3.3kV/750A)也備受關注,其內部包含SiC MOSFET及反并聯SiC肖特基二極管(SBD)。為了降低模塊封裝內部電感(<10 nH)和提高并聯芯片之間的均流效果,這款模塊采用了一種被稱為LV100全新的封裝,采用交直流分開的主端子布局,利于并聯應用并實現極低內部雜散電感。

  “這款前沿產品,必將推動國內鐵道牽引、電力傳輸和固態變壓器領域新一輪高功率密度變換器的研究和開發。” 在此前接受采訪時,三菱電機半導體大中國區技術總監宋高升說。

  早在2013年,三菱電機供軌道交通車輛使用、搭載3.3kV的全SiC功率模塊便已經實現了商業化,其后,三菱電機一直堅持致力于推廣更節能的SiC功率模塊以逐步取代傳統的Si功率模塊。與Si-IGBT模塊相比,FMF750DC-66A具有更低的開關損耗,其Eon相對降低了61%,Eoff則相對減小了95%。

  FMF750DC-66A

  在車載充電器(OBC)、PFC、光伏發電應用領域,SiC SBD和SiC MOSFET兩款分立器件產品同樣值得期待。目前,電動汽車市場需求與日俱增,而通常所說的電動汽車包括電動乘用車和電動大巴。電動乘用車里多個地方需要用到功率器件,包括主驅變頻器、OBC、助力轉向等。三菱電機正在電動乘用車和電動大巴這兩大市場同時發力,以進一步拓展功率器件的應用領域。

  SiC SBD正向壓降低,具有更高I2t,對抗浪涌電流有更強的能力;此外,該產品還具有更強的高頻開關特性,可以使周邊器件小型化(如電抗器),可應用于車載電子產品。

  而SiC MOSFET采用第2代SiC工藝,溝槽柵型結構,具有低Ron和低反向恢復損耗,適合更高開關頻率,既可應用于于工業級產品,也可應用于車載級產品。

  未來,三菱電機將基于第2代溝槽型SiC-MOSFET芯片(6英寸)的SiC功率模塊實現可批量生產,并逐步完善600V、1200V、1700V系列。與此同時,將應用SBD嵌入式平板型SiC芯片技術開發新一代3.3kV和6.5kV高壓SiC-MOSFET模塊。

  2019年,大功率的半導體器件都處于缺貨的狀態,交貨很緊。對于此, Dr. Gourab Majumdar表示,三菱電機除了自己投產建立晶圓廠之外,也正在找尋一些代工廠幫助其加工一些晶圓的工序,保證持續穩定的供貨。事實上,與2016年、2017年相比較,2019年三菱電機的投資金額增長了2倍,對于未來的擴產計劃,Dr.Gourab Majumdar很有信心。

  在2018年度,三菱電機以位于日本熊本和中國的主力工廠為中心進行了投資。計劃到2022年度,以功率半導體為中心的功率器件業務力爭實現2000億日元銷售。

  順應IGBT的發展趨勢,從第一代IGBT到第七代IGBT,三菱電機不斷推陳出新,晶圓越來越薄,柵極與柵極之間距離越來越近,產品越來越小型化,實現小封裝大電流產品的提升。Dr.Gourab Majumdar稱三菱電機下一代超級薄的晶圓會把性能指數調整得更高。

  以“信賴、質量、技術、貢獻、手法、環境、發展”為行動方針,以“Changes for the Better”為企業宣言,以持續不斷地創新精神為驅動力,通過技術賦能,用產品說話,成就了三菱電機在功率半導體市場的領先地位。

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