富士电机：功率半导体的现状与展望 | CPSSC 2021钻石赞助商

富士电机自创业以来已有90余年，在这悠久的历史中，富士电机不断革新能源技术，在产业和社会领域中为世界作出巨大贡献。富士电机与中国的渊源由来已久，可追溯至1965年在四川省射洪县引进中国首例的阀门水轮发电机。

如今，地球正因前所未有的人口激增和工业化的急速发展，面临着各种各样的能源问题和环境问题。即便是已经拥有全球性经济规模，每年保持快速增长的中国，也日益重视如何构筑一个环保和节能双赢的和谐社会这一课题。

富士电机（中国）依托创业以来积累的技术和经验，追求电力、热能技术的革新，通过能够高效利用能源的高附加值环保型产品，为中国社会的发展贡献自身力量。

富士电机以在能源与环境事业中为实现可持续发展社会做出贡献为经营方针的支柱，在包括供应链在内的整个企业活动中推进SDGs，致力于解决以全球气候变暖为首的社会与环境课题。通过这些举措响应国际社会追求的实现安全安心、可持续发展的社会做出了贡献。为了实现这一目的，同时提高在各种系统中所用的电力电子设备的效率，提高驱动这些设备的功率半导体器件的性能非常重要。

富士的功率半导体

如图1 所示，富士电机可根据使用用途提供各种功率半导体器件。在小容量设备领域，开发并提供了家电产品电机驱动系统小容量IPM、 功率调节器和不间断电源装置等电力转换用产业用IGBT，电力转换用超结SJ-MOSFET。

在中容量设备领域，有用于通用变频器、机床与机器人的伺服电机控制、商用空调的电机控制、UPS的电力转换等的产业用IGBT 模块。在车载用途方面，有用于xEV 的电机控制的IGBT 模块。世界各国开始从汽油车向xEV 转换，预计今后车载用功率半导体的需求也会扩大。

在大容量设备领域，如风力发电等可再生能源的电力转换、铁路车辆电机的可变速驱动中所用的IGBT 模块等。此外，还开发了具有低损耗、高耐压、高温工作等卓越特点的下一代功率半导体——碳化硅（SiC）功率半导体器件。以下对富士电机在功率半导体开发方面的最新成果进行了简单举例总结。

图1

富士电机功率半导体的应用示例

第7 代“X系列”产业用1200V/2400A RC-IGBT模块

通过对芯片和封装的技术革新，富士电机实现了第7代“X系列”IGBT模块的产品化，并凭借IGBT模块的低损耗化·高可靠性化，实现了高功率密度化。此外，开发出了一种使IGBT和FWD单芯片化的RC-IGBT，在损耗降低的同时可减少芯片数量和总芯片面积，实现了更高的功率密度。此次，开发了搭载RC-IGBT 的1200V/2400A 额定PrimePACK™3+，并将其加入到产品系列之中。

通过X系列的芯片技术，大幅降低了集电极和发射极饱和电压VCE(sat)；应用最先进的薄晶圆加工技术，改善了饱和电压与开关损耗的权衡关系，借此电力损耗比传统产品降低了16%（图2）。此外，“X系列”RC-IGBT模块大幅降低了热阻，在相同条件下实现了更高的额定电流，同时，通过采用高耐热硅胶，将连续工作时的最大接合温度提高至175 ℃，确保了高可靠性。

图2

“X 系列”、“V 系列”损耗的比较

注：PrimePACK™：Infineon Technology AG的商标或注册商标。

第2代1200V All-SiC模块的产品系列扩大

使用了Si的功率半导体器件的特性已经接近其材料物性的理论极限，因此，SiC作为可超越Si的下一代半导体材料备受瞩目。

2017年，富士电机向市场推出了All-SiC 2in1模块，该模块将采用沟槽型栅结构的第1代SiC-MOSFET芯片搭载在全模封装中，额定容量为1200V/400A。

现今，为了扩展产品系列，富士电机使用Si-IGBT模块的标准封装〔W108×D62（mm）〕，开发了确保外形和端子配置兼容性的All-SiC 2in1模块，芯片采用第2代SiC-MOSFET芯片，封装主端子部分采用层压结构，降低了内部电感。

仿真结果表明，此次开发的All-SiC模块在输出电流Io(rms)＝200A的条件下，与Si-IGBT模块相比，载波频率5kHz、20kHz时降低较多变频器功率损耗。因此，利用此模块，损耗变小，可实现高密度化和大容量化。另外，通过开关的高频化，可使用小型的无源器件，电力电子设备可实现小型化。

图3

第2代SiC沟槽型栅MOSFET和第1SiC沟槽型栅MOSFET的Ron・A比较

采用小型封装“P644”的第7代“X系列”IGBT-IPM

IPM是在由IGBT和FWD构成的IGBT模块中内置了IGBT栅极驱动电路和保护电路的高性能IGBT模块。

为满足电力转换装置进一步小型化、高效率化和高输出化的要求，在新的“X系列”IPM系列中，使用了图4所示的行业最小级别“P644”封装。

X系列IPM“P644“的产品系列中，额定电压650V系有50A和75A， 额定电压1200V系有25A和35A，与同范围的“V 系列”IPM 的7in1“P636”相比，冷却器上的模块设置面积缩小了12%。

通过表面沟槽型栅结构的微细化和薄晶片加工技术使漂移层变薄，通过改善了IGBT的关断损耗和导通损耗的均衡特性的第7 代芯片技术及降低开关时的开通损耗的栅极驱动电路的改善，与传统的V系列相比，大幅降低了功率损耗。此外，为了实现高温工作，采用了高耐热凝胶和高可靠性焊锡等，将Tvjop的最高温度从V系列的125℃扩大到了150℃。另外，在下桥臂保护动作时，制动单元IGBT可独立动作，可防止半导体元件的过电压破坏。通过这些新技术，X系列IPM与V系列相比，除了外形小型化外，还可以实现更高的输出功率。

图4

“X 系列”IPM“P644”的产品外观

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