被神秘的FS7“附體”，解讀兩大最新功率模塊系列的“超能力”

安森美（onsemi）在2024年先后推出兩款超強(qiáng)功率半導(dǎo)體模塊新貴，IGBT模塊系列——SPM31 IPM，QDual 3。值得注意的是，背后都提到采用了最新的FS7技術(shù)，主要性能拉滿，形成業(yè)內(nèi)獨(dú)特的領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)。

解密FS7“附體”的超能力

眾所周知，IGBT是一種廣泛應(yīng)用于電力電子領(lǐng)域的半導(dǎo)體器件，結(jié)合了金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MOSFET）和雙極結(jié)型晶體管（BJT）的優(yōu)點(diǎn)，具有高輸入阻抗和低導(dǎo)通電壓降的特點(diǎn)。而安森美的Field Stop技術(shù)則是IGBT的一種改進(jìn)技術(shù)，通過(guò)在器件的漂移區(qū)引入一個(gè)場(chǎng)截止層來(lái)優(yōu)化其性能，實(shí)現(xiàn)更低的導(dǎo)通損耗、更快的開(kāi)關(guān)速度、更高的熱性能，以及更高的耐壓能力。

安森美最新的IGBT 技術(shù)Field Stop 7 (場(chǎng)阻，F(xiàn)S7)其性能比前幾代產(chǎn)品有所提升。該技術(shù)經(jīng)過(guò)優(yōu)化，分為兩種不同的版本。第一種版本稱為R系列，即中速器件。這些器件針對(duì)飽和狀態(tài)下的低集電極到發(fā)射極電壓進(jìn)行了優(yōu)化，可在電機(jī)控制等開(kāi)關(guān)頻率較低的應(yīng)用中降低導(dǎo)通損耗。

第二種版本是S系列，即高速器件。這些器件針對(duì)最低開(kāi)關(guān)損耗進(jìn)行了優(yōu)化，可用于高功率轉(zhuǎn)換，如商用太陽(yáng)能逆變器、不間斷電源和儲(chǔ)能系統(tǒng)。兩種版本都包含一個(gè)針對(duì)低正向電壓和柔軟度進(jìn)行了優(yōu)化的反并聯(lián)二極管。

這里展示了R系列或低VCE(sat)器件的性能特征。直流性能曲線表明，+25℃時(shí)V CE(sat)極低，為1.37 V，二極管正向電壓為1.74 V。交流性能曲線表明，在1200 V、150 A 型號(hào)上測(cè)試的開(kāi)關(guān)損耗非常低，短路耐受時(shí)間約為8 μs。

FS7 IGBT 是高性能器件，額定電壓為1,200 V，額定電流范圍為40 A 至160 A。適用于高功率太陽(yáng)能逆變器、不間斷電源、儲(chǔ)能系統(tǒng)和電機(jī)控制等要求苛刻的應(yīng)用。1,200 V FS7 器件提供低VCE(sat)版本，以改善導(dǎo)通損耗，以及低開(kāi)關(guān)損耗版本改善開(kāi)關(guān)損耗。

最新的SPM31智能功率模塊解讀

今年初推出的最新一代FS7 IGBT產(chǎn)品是支持1200V的SPM31智能功率模塊(IPM)。SPM31 IPM主要優(yōu)勢(shì)是效率更高、體積更小、功率密度更高，因此總系統(tǒng)成本低于市場(chǎng)上其他解決方案。

由于使用優(yōu)化的IGBT可實(shí)現(xiàn)更高的效率，這些IPM非常適合三相逆變器驅(qū)動(dòng)應(yīng)用，例如熱泵、商用HVAC系統(tǒng)、伺服電機(jī)以及工業(yè)泵和風(fēng)扇。與上一代產(chǎn)品相比，采用FS7 IGBT 技術(shù)的25A 額定SPM31 可將功率損耗降低高達(dá)10%，并將功率密度提高高達(dá)9%。

這些高度集成的模塊包含柵極驅(qū)動(dòng)IC，多個(gè)模塊內(nèi)保護(hù)功能以及FS7 IGBT，可實(shí)現(xiàn)業(yè)界領(lǐng)先的熱性能，并能夠支持15A, 25A和35A三種電流規(guī)格。。憑借一流的功率密度，SPM31 FS7 IGBT IPM 是節(jié)省安裝空間、提高性能預(yù)期并縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間的理想解決方案。此外，SPM31 IPM 還具有以下優(yōu)勢(shì)：

◆ 柵極驅(qū)動(dòng)器和保護(hù)裝置的控制

◆ 低損耗、具有抗短路能力的額定 IGBT

◆ 三相下橋IGBT的源極分開(kāi)引出，以支持多種控制算法

◆ 內(nèi)置欠壓保護(hù)（UVP）

◆ 內(nèi)置自舉二極管和自舉限流電阻

◆ 內(nèi)置高速高壓集成電路

◆ 單接地電源

面向逆變器應(yīng)用的先進(jìn)電源技術(shù)

在今年年中，安森美再次發(fā)布功率模塊產(chǎn)品——第7 代1200V QDual3 IGBT功率模塊。與其他同類產(chǎn)品相比，該模塊的功率密度更高，且提供高10%的輸出功率。

該800A QDual3 模塊同樣基于新的場(chǎng)截止第7代IGBT技術(shù)，應(yīng)用于150千瓦的逆變器中時(shí)，QDual3模塊的損耗比同類最接近的競(jìng)品少200W，從而大大縮減散熱器的尺寸。QDual3模塊專為在惡劣條件下工作而設(shè)計(jì)，非常適合用于大功率變流器，例如集中式光伏逆變器、儲(chǔ)能系統(tǒng)(ESS)、商用農(nóng)業(yè)車輛（CAV）和工業(yè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。

QDual 3 模塊集成了新一代1200V FS7 IGBT和二極管技術(shù)，可為大功率應(yīng)用提供更優(yōu)異的性能。與前幾代產(chǎn)品相比，基于FS7的技術(shù)能顯著改善導(dǎo)通損耗。

FS7技術(shù)增強(qiáng)了關(guān)鍵性能參數(shù)

在FS7 IGBT工藝中，溝槽窄臺(tái)面帶來(lái)了低VCE(SAT)和高功率密度，而質(zhì)子注入多重緩沖確保了穩(wěn)健性和軟開(kāi)關(guān)特性。如前面提到，安森美中速FS7器件的VCE(SAT)低至1.65V，適用于運(yùn)動(dòng)控制應(yīng)用；而其FS7快速產(chǎn)品的EOFF僅57 μJ/A，針對(duì)于像太陽(yáng)能逆變器和CAV等高功率應(yīng)用而言，這些特性非常重要。

FS7 IGBT 尺寸更小，功率密度更高

目前，根據(jù)不同的應(yīng)用需求有兩種產(chǎn)品可供選擇——NXH800H120L7QDSG和SNXH800H120L7QDSG。專用QDual 3半橋IGBT模塊NXH800H120L7QDSG適用于集中式光伏逆變器、儲(chǔ)能系統(tǒng)、不間斷電源(UPS)；而SNXH800H120L7QDSG則適用于CAV。這兩款器件均基于FS7技術(shù)打造，VCE(SAT)和EOFF有所改進(jìn)，進(jìn)而降低了損耗、提高了能效。

創(chuàng)新型FS7技術(shù)使新型QDual3模塊中的芯片尺寸比上一代縮小了30%。這種小型化與先進(jìn)的封裝相結(jié)合，可以顯著提高最大額定電流。在工作溫度高達(dá)150攝氏度的電機(jī)控制應(yīng)用中，QDual3的輸出功率為100 kW 至340 kW，比目前市場(chǎng)上的其他產(chǎn)品高出大約12%。

例如，以當(dāng)前使用600A IGBT 模塊以ANPC/INPC架構(gòu)來(lái)設(shè)計(jì)1.725 MW逆變器為例，總共將需要36個(gè)模塊。然而，若使用額定工作電流為800A的新型NXH800H120L7QDSG和SNXH800H120L7QDSG，設(shè)計(jì)所需模塊數(shù)量將減少9個(gè)。相應(yīng)地，設(shè)計(jì)的尺寸、重量和成本將節(jié)省25%。這對(duì)于太陽(yáng)能應(yīng)用和CAV應(yīng)用來(lái)說(shuō)都非常有價(jià)值，因?yàn)橹亓康臏p輕和效率的提高，將使得車輛行駛里程有所增加。

總結(jié)

安森美FS7等新型半導(dǎo)體技術(shù)支持開(kāi)發(fā)低損耗、大功率器件，以滿足這些領(lǐng)域的效率和可靠性需求。基于這項(xiàng)技術(shù)，安森美的新型SPM31 IPM和QDual3器件采用緊湊封裝，可實(shí)現(xiàn)高功率密度和出色能效，分別為熱泵、商用HVAC系統(tǒng)、伺服電機(jī)以及工業(yè)泵和風(fēng)扇，以及集中式光伏逆變器、儲(chǔ)能系統(tǒng)、商用農(nóng)業(yè)車輛和工業(yè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器帶來(lái)主要性能的快速迭代機(jī)遇。