英飛凌工業(yè)半導(dǎo)體

時間：2020-05-21作者：上海旺松新能源科技有限公司瀏覽：90

即使你不做技術(shù)，只要你看完這篇文章，保證貴司設(shè)計*和我司售貨員不敢忽悠你。  


這期我們要深入的探討XHP模塊在技術(shù)上的特點，不做技術(shù)的讀者也不用急著退出，下面的技術(shù)內(nèi)容都是通俗易懂的，只要看完了，保證貴司設(shè)計員和我司售貨員不敢忽悠你。。。當(dāng)然我司售貨員向來都是童叟無欺的。

首先技術(shù)方面，用XHP能讓設(shè)計工作不那么難了，為什么呢？

因為IHV模塊都好大好重，做測試搬起來就好難。。。

說回正經(jīng)的，我聽過很多研發(fā)工程師跟我云評價，你XHP在大電流應(yīng)用中需要這么多器件并聯(lián)，敢說均流不難嗎？



XHP并聯(lián)到底難不難？


真不難，IHV模塊看起來電流大不用并聯(lián)（其實在機(jī)車和高鐵變流器里還是需要兩并聯(lián)），但是IHV模塊的3對主端子是獨立的，也是需要外部銅排把3對端子在模塊外面并聯(lián)起來的，如果兩個IHV模塊并聯(lián)，那就是6對端子并聯(lián)，其實也挺考驗設(shè)計水平的。

如果IHV模塊的布局不對稱，也會導(dǎo)致并聯(lián)不均流的問題。例如下圖這個布局，左中右三對端子的電流就會出現(xiàn)非常不均流的問題。




說回XHP的并聯(lián)，英飛凌作為一個負(fù)責(zé)任的，時時刻刻為客戶操碎了心的公司，XHP肯定不會甩給客戶研發(fā)就不管了，德國的老*們已經(jīng)為客戶寫好了一份詳細(xì)的應(yīng)用指導(dǎo)，詳細(xì)介紹了如何讓并聯(lián)較均流。此外，連怎么涂導(dǎo)熱硅脂，怎么擰螺絲都寫得明明白白。大家點擊閱讀原文就可以閱讀下載這篇應(yīng)用指導(dǎo)了。（文檔編號是AN2018-07）



上圖是節(jié)自AN2018-07中XHP正確的并聯(lián)示例。

既然說到了并聯(lián)，就順便談?wù)劷Y(jié)構(gòu)布局，因為很多時候并聯(lián)結(jié)構(gòu)設(shè)計的不合理都是由于結(jié)構(gòu)的互相干涉不得不妥協(xié)導(dǎo)致的。

XHP模塊是半橋模塊，如下右圖，XHP布局中上部分淺綠色是交流排，下部分紅色藍(lán)色是正負(fù)母排，中間是驅(qū)動板。這三個部分劃分明確沒有任何干涉。



而IHV模塊是單橋臂模塊，上左圖中，上下模塊的四排端子在半橋拓?fù)渲蟹謩e是：正極、交流、交流、負(fù)極。正負(fù)交流排三層是疊在一起的，這種疊層母排的工藝復(fù)雜，價格貴，而且還又厚又重。

此外IHV模塊的驅(qū)動板也是被壓在銅排的下面，因此驅(qū)動板上的元器件高度如果不合適就會和銅排干涉了。有時候用戶不得已把驅(qū)動板放在遠(yuǎn)離IGBT模塊的地方用長導(dǎo)線連接，這樣又會增加驅(qū)動回路的雜散電感，影響驅(qū)動性能。

然鵝，IHV的這些難題在XHP上都不是問題，您要是還是嫌XHP并聯(lián)麻煩，那您要不是在和我抬杠，那就是真碰上均流的問題了。。。

注：如果在并聯(lián)使用中遇上百思不得其解的不均流問題，那估計是遇上了電磁場的問題。請查閱本號于2019年12月刊登的“走近玄學(xué)”系列文章。
走進(jìn)玄學(xué)：電磁場對IGBT模塊并聯(lián)的影響（上）
走進(jìn)玄學(xué)：電磁場對IGBT模塊并聯(lián)的影響（下）

看到這里我猜你可能會說那么多模塊并聯(lián)，挑選參數(shù)匹配的模塊豈不是很麻煩？

不用擔(dān)心，英飛凌針對XHP模塊并聯(lián)使用提供了一個專享的配對服務(wù)。

大家都知道IGBT模塊參數(shù)的一致性對并聯(lián)均流也有很大的影響，英飛凌為了方便XHP的客戶并聯(lián)使用，可以根據(jù)客戶的并聯(lián)數(shù)量提供參數(shù)配對服務(wù)，我們會按客戶要求的并聯(lián)數(shù)量，把配對相應(yīng)數(shù)量的模塊打包在一起，這樣可以省去客戶自己挑選配對的工作和成本。

下圖從左至右分別是，單個XHP模塊包裝，兩并聯(lián)包裝，和四并聯(lián)包裝，是不是很貼心？





XHP的半橋拓?fù)溥€有另外一個好處，就是雜散電感低


在一個半橋拓?fù)淅铮s散電壓是由正極、交流端、負(fù)極三部分構(gòu)成的。如下圖所示。



剛剛提到IHV那種單橋臂模塊，上橋臂和下橋臂是兩個模塊中間需要外部銅排連接，因此交流端的雜散電感必然不會太低。

另外正負(fù)極分別在兩個模塊的上端和下端，因此正負(fù)極的回路面積必然不會太小，因此正負(fù)極的雜散電感也不低。

那我們再看看XHP的情況，下圖以XHP3為例，從內(nèi)部結(jié)構(gòu)的側(cè)視圖來看，紅色和藍(lán)色的正面銅排在模塊內(nèi)部是幾乎貼著走的，因此這個環(huán)路面積是非常小的，雜散電感也很小。另外上下橋臂芯片在模塊內(nèi)部的距離也很近，因此這里的雜散電感也很小。



較終在一個半橋中的表現(xiàn)，以四個450A的XHP3并聯(lián)對標(biāo)1500A的IHV模塊，IHV模塊組成半橋的整體雜散電感一般在80~90nH這個水平，而XHP3能減小到15~20nH。

雜散電感帶來哪些好處呢？

減小二極管反向恢復(fù)時的振蕩，減輕二極管應(yīng)力
降低IGBT關(guān)斷時的電壓尖峰
在同等二極管應(yīng)力下，降低開通損耗



三電平應(yīng)用中的優(yōu)勢


蹭一波三電平的熱度，XHP在三電平中也有著*到的優(yōu)勢，首先XHP是半橋模塊，因此3個XHP模塊就可以組成一個三電平半橋了，如下圖所示。



其次，如果這個三電平直流側(cè)中點不能接地，只能負(fù)點接地，如同上圖中左下角的接地位置。當(dāng)母線電壓是1800V+1800V，我們用3300V的IGBT模塊組成三電平，如果是上圖這樣負(fù)點接地這時IGBT模塊的絕緣能力是需要按3600V母線來計算的，需要10kV(AC)級別的絕緣能力。

像IHV的3300V模塊絕緣能力都是6kV(AC)，而XHP3的3300V模塊同時提供6kVAC和10kVAC兩個絕緣版本，而且模塊電氣和熱阻參數(shù)是完全相同的。另外XHP2未來也將提供4kVAC和6kVAC兩個絕緣版本。因此XHP系列在三電平應(yīng)用中是非常有優(yōu)勢的。



功率密度的優(yōu)勢


以3300V這個電壓等級，XHP3目前已經(jīng)量產(chǎn)了450A電流的IGBT模塊，在今年年內(nèi)還會量產(chǎn)高電流等級550A的模塊。我們就基于這兩款XHP3來討論下在功率、電流密度方面的優(yōu)勢。

以半橋拓?fù)錇槔?個450A的XHP3可以對標(biāo)兩個1500A的IHV模塊，下圖有對比結(jié)果，XHP3的電流密度較大。



此外還有即將上市的500A模塊，全名叫做FF550XTR33T3E4_B5。大家如果熟悉英飛凌IGBT模塊的命名方式，可能好奇為啥550后面多了XT兩個字母？

這里的XT意味著這款型號是加持了.XT技術(shù)的，沒錯就是那款在風(fēng)力發(fā)電中的**產(chǎn)品IGBT5用到的.XT技術(shù)。

簡單介紹一下.XT技術(shù)，它是模塊內(nèi)部芯片、綁定線、焊層等方面的綜合技術(shù)，通過.XT技術(shù)可以大幅提高IGBT模塊的功率循環(huán)壽命和電流密度。

下圖是普通工藝和.XT技術(shù)的差異，3300V的.XT技術(shù)主要使用了加強(qiáng)的鋁綁定線和燒結(jié)工藝，可以使XHP3.XT模塊達(dá)到5倍于普通模塊的循環(huán)壽命能力，并且降低了熱阻。



此外大家可能還注意到了FF550XTR33T3E4是以E4結(jié)尾的，這意味著芯片也升級了一代。

3300V E4的芯片基于英飛凌較新的8英寸晶圓工藝，采用了已經(jīng)多年成熟可靠用于6500V芯片的DLC/VLD技術(shù)。DLC是一種類金剛石鍍膜工藝，用于形成芯片表面鈍化從; VLD是橫向變摻雜邊緣截止工藝，對比傳統(tǒng)的場限環(huán)技術(shù)可以增加芯片的有效通流面積達(dá)到12%，因此同樣尺寸的芯片可以流過較大的電流。同時DLC/VLD技術(shù)能使芯片的可靠性魯棒性明顯提高。



另外就是FF550XTR33T3E4_B5的后綴B5，代表的是這個模塊的絕緣是10.4kV(AC)，未來量產(chǎn)后這款550A的器件都是10.4kV這個絕緣等級。

綜合以上幾方面的技術(shù)提升，F(xiàn)F550XTR33T3E4_B5的性能提升指標(biāo)具體如下表中所述。




關(guān)于XHP2封裝，未來也將推出基于.XT技術(shù)的1700V模塊，電流較大將達(dá)到1800A，我們以后會有詳細(xì)的介紹。

最后給大家介紹一個實際的應(yīng)用案例。




這是PCIM上發(fā)表的一篇論文，論文介紹了一家**非常著名的軌道交通企業(yè)設(shè)計的一款基于XHP模塊的變流器功率單元。大家感興趣的可以自己下載來看看。



 結(jié) 語


通過上下兩篇的內(nèi)容，相信大家已經(jīng)對XHP的優(yōu)勢有了比較明晰的認(rèn)識。

最后我還想聊點看似無關(guān)，其實有關(guān)的一點內(nèi)容。

較近幾年，世界各大汽車廠商都在推進(jìn)車型的平臺化設(shè)計，例如大眾的MQB\MLB平臺，豐田的TNGA架構(gòu)等。大眾的MQB\MLB平臺設(shè)計其實是投入了很大的研發(fā)資源和成本的，但是當(dāng)平臺設(shè)計好了以后，大眾的MQB平臺可以覆蓋從高爾夫到帕薩特，甚至是大七座SUV途昂。MLB平臺可以覆蓋奧迪A4、A6、保時捷Macan等車型。豐田的TNGA架構(gòu)覆蓋了從卡羅拉到凱美瑞到雷克薩斯ES。這樣的平臺化設(shè)計能幫助車企較快的推出多種多樣的車型，而且通過統(tǒng)一化的零配件可以大幅度降低成本。

軌道交通雖然沒有汽車行業(yè)競爭那么激烈，但是未雨綢繆總不是壞事，較何況參與制定Roll2Rail的這些歐洲公司已經(jīng)開始向平臺化進(jìn)軍了。



關(guān)于英飛凌
英飛凌設(shè)計、開發(fā)、制造并銷售各種半導(dǎo)體和系統(tǒng)解決方案。其業(yè)務(wù)重點包括汽車電子、工業(yè)電子、射頻應(yīng)用、移動終端和基于硬件的安全解決方案等。

英飛凌將業(yè)務(wù)成功與社會責(zé)任結(jié)合在一起，致力于讓人們的生活較加便利、安全和環(huán)保。半導(dǎo)體雖幾乎看不到，但它已經(jīng)成為了我們?nèi)粘Ｉ钪胁豢苫蛉钡囊徊糠?。不論在電力生產(chǎn)、傳輸還是利用等方面，英飛凌芯片始終發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。此外，它們在保護(hù)數(shù)據(jù)通信，提高道路交通安全性，降低車輛的二氧化碳排放等領(lǐng)域同樣功不可沒。


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