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功率器件新技术和新产品

22-Nov-11 Copyright © Infineon Technologies 2006. All rights reserved.

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 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

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


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


600V 芯片技术的发展


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


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


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


su

rge c

urr

en

t Schottky diode

forward

characteristic

Combined

characteristics

Bipolar pn diode


su

rge c

urr

en

t Schottky diode

forward

characteristic

Combined

characteristics


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

Copyright © Infineon

Technologies 2011. All rights reserved.

降低芯片的损耗（芯片技术）




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）

Copyright © Infineon Technologies 2009. All rights reserved. 2011/11/22 Page 21

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

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


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

Copyright © Infineon Technologies 2010. All rights reserved. 06/12/2011 Page 27

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

Copyright © Infineon Technologies 2010. All rights reserved. 10.02.2010 Page 28

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

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