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大功率半导体的未来

2019-01-25 09:19:36 Westpac Electronics

?#29575;?#35777;明,功率模块是功率电子系统技术快速发展的 主要驱动力,在节能、控制动力、降噪以及减少重 量和体积方面表现地尤为明显。功率半导体主要用于控制 能源生成与消耗之间的能量流。这需要极精确的技术和极 低的损耗。 工业应用的功率电子技术之所以能够不断进步,主要 取决于五大因素:高能效、工作温?#21462;?#23567;型化、可靠性和 降?#32479;?#26412;,这五个因素在某种程度上也相互影响。目前呈 现的趋势推动了功率半导体在过去三十年的发展,并将在 未来继续推动其发展。 从最初的 30kW/cm2,到如今能够实现 110kW/cm2 的 功率密度,这一切都要归功于创新的装配和互连技术。现 在普遍认为,通过 IGBT 模块的新发展,半导体行业将实 现明显更高的功率密?#21462;?#26410;来功率增加将需要新的外壳, 这一点也是显而易见的。 同时,转换器领域的发展也在继续。并且伴随着芯片 技术和外壳设计的发展。与此相关的一些新理念,例如不同电压级别之间的部件共性理念,要求半导体制造商采用 创新的解决方案以满足现代化节能功率电子未来的需求。 大功率 IGBT 模块应用于工业驱动、交通和风力发电 机等各种应用。紧凑型设计、能效和可靠性是这些应用 的关键因素。有一点是可以预见的,那就是,在更为?#37327;?的新的应用环境中,对转换器和模块技术的可靠性和弹性 将采用不同的、可能更为严格的要求。这就引出了一个问 题,即,未来应该如何塑造解决方案以满足不同需求。 驱动 除了可再生能源能够发电之外,化石燃料的使用 继续在电源供应方面占有巨大份额。预计在 2005 年 至 2030 年期间,全球人口数量将增加 17 亿至 82 亿 (1)。毫无疑问,城市化?#27493;?#25104;为必然趋势。这样的发 展需要对石油和天然气等能源的提取和分布进行大量 投资。新的生产技术能够开发出新的资源。这就需要 高效率的泵驱动,而 IGBT 模块就是重点。在工业驱 动方面,为了提高能效,越来越多的非稳压驱动逐渐 被变速驱动取代。 在钢铁、石油和天然气工业或采矿企业等工业 应用中,转换器通常需要暴露在极其恶劣的条件下。


灼热的钢铁、有害的环境、多变的工况和周期性的过 载意味着高电气和机械应力,因此需要非常稳定的结 构。在新技术和对现有工厂进行的现代化改造方面, 中低压应用采用 100 KW 甚至数十兆瓦级的轧机驱动 装置。必须实现可靠耐用的功率电子理念才能满足这 些要求。 牵引 牵引市场很大程度上取决于各个国家和地区以及城 市和直辖市的基础设施项目。铁路运输正在经历一场全 球范围的复兴。世界各地出现了众多新的运输公司,并 成为大型并购的一部分,因为这是管理预期交通量的必 由之路。新的建设与扩建项目的数量在?#20013;?#22686;长。许多 城市建造了以铁路为基础的当地运输系统,即便有些城市是第一?#26410;?#24314;铁路。鉴于货运和高速客运服务领域的 高经济增长速率,一些新?#21496;?#27982;体实施了宏大的新铁路 建设项目 (2)。 可以确定有两项发展是全球牵引市场发展的驱动 力:城市化和日益增加的流动性。即使个别项目是提前几 年就策划?#32479;?#36164;的,但仍需要使用最新技术。这样能确保 满足节省成本,尤其是节省时间的要求。与驱动转换器一 样,紧凑设计和减轻重量也是铁轨部件的重要因素。 风能 随着可再生能源部分在发电行?#23548;?#32493;稳步增长,对 功率半导体器件的需求也不?#26174;?#21152;。岸上风力发电机是目 前可再生能源最经济的来源。复杂的变频器系统是工厂的 重要组成部分,因为首?#20154;?#33021;够产生与市电兼容的电力。 现代的海上风力发电机可以提供高达 7MW 的输出功率。 该应用领域不?#26174;?#21152;的发动机功率和空间限制要求紧凑且 功能强大的转换器理念。在考虑此类项目的成本效益时, 低维护和生命周期成本起着重要作用。因此基于转换器理 念的平台方法需要考虑各方面的设计效率。 功率电子解决方案必须高度可靠耐用才能满足应用 的大量需求,例如在风能领域的应用,以及牵引的驱动系 统、中压工业驱动或高压直流输电系统。借助高压直流输 电技术,电力可以极高的成本效率进行长距离传输。在这 方面,海上风力发电厂与岸上供电电网的连接也是可能实 现的。 “解决方案” IGBT 技术面临的新挑战主要源于应用的需求不?#26174;?加。纵观近年来功率半导体的成功发展,很明显是以芯片 技术为基础的。重点主要是没有改变封装技术的最新芯 片。新的 IGBT 芯片主要集成到现有封装——这种方法有 时候会有局限性。随着系统要求继续增长而新一代的芯片 ?#24230;?#20351;用,有必要根据相应的功能开发新的封装。应对挑 战需要的就是“解决方案?#34180;?/p>


富士电机X系?#26800;?代IGBT和SiC相关器件亮相展会。

IGBT模块是一种能实现节能和稳定供电的核心器件,被广泛应用于各种工业设备如电机驱动用变频器、不间断电源装置(UPS)、风能和太阳能发电设备用功率调节器?#21462;?#23500;士公司第7代“X系?#23567;?#36890;过薄化构成本模块的IGBT元件以及二极管元件的厚度,使其小型化,从而优化元件结构。因此,与以往产品相比,降低变换器运行时的电力损耗。有利于运载机器节能和削减电力成本。

近年来随着全球能源需求增长,各个领域对工业设备都提出了更高的节能要求,工厂等生产现场则非常注重机器设备的小型化、节省空间化及高可靠性。今年,富士电机半导体营业本部特推出富士电机X系列第7代IGBT ,同时展出了使用第7代IGBT的大功率次时代核心模块(HPnC)样品。

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(左:7G(X系列)IGBT模块  右:HPnC) 
IGBT模块是一种能实现节能和稳定供电的核心器件,被广泛应用于各种工业设备如电机驱动用变频器、不间断电源装置(UPS)、风能和太阳能发电设备用功率调节器?#21462;?nbsp;
塚越 敏夫和徐国伟介绍,富士电机X系列第7代IGBT 通过对构成本模块的IGBT元件和二极管元件进行厚度减薄和微?#23500;?#25913;进,实现了最佳元件结构。因此,与第6代“V系?#23567;?#30456;比,变频器的工作电耗降低,有助于设备的节能和降低电力成本。此外,第7代IGBT采用更为先进的封装技术,如75A PIM-IGBT 封装尺寸缩减36%,更趋小型化;最高连续工作温度从以往的150℃提高至175℃,所以能做到在维持设备原尺寸不变的同时,扩展电流等级,例如50A PIM-IGBT输出电流实现50%的增幅。 
在新材料方面,前不久富士电机推出装载新一代功率半导体元件SiC(碳化硅)的混合模块产品系列;本次展会富士电机又带来了全SiC 2in1模块(SiC MOS-FET & SiC肖特基二极管),采用高耐温环氧树脂、绝缘基板厚铜箔层及无邦定线技术等新概念封装,展示出全SiC模块的优良开关特性。

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全SiC模块)

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(全SiC模块性能) 
“中国的经济转型体现在两个方面,其一是中国经济的转型升级,其二是从中国制造向中国创造转型。用户需求一方面受到国家政策主导和行业发展推动影响,另一方面是主观意愿的转型提升寻求更大发展空间。”塚越 敏夫分析指出,用户需求具体体现在对半导体原材料要求更高、产品技术要求更高、产品可靠性要求更高,同时在保证上述需求的基础上要求有更高的性价比,甚至有的客户抱有成本逐年递减的需求。 
面对新形势和新需求,富士电机半导体 凭借三十多年的经验积累不断追求技术创新,在对产品全方位升级优化的同时,以本地化生产、快速服务响应来贴近中国用户。如旗下深圳工厂全面导入日本精益生产管理理念,确保产品品质,缩短产品上市时间,提供本地快速服务,帮助客户有效降?#32479;?#26412;。基于以上,塚越 敏夫相信富士电机半导体 将在中国传统工业领域有更加出色的表现。

瞄准新能源汽车?#20013;?#21457;功 
作为富士电机半导体业务发展的一大亮点,2015年其 功率半导体模块在新能源汽车行业销量同比增长3倍。塚越 敏夫?#28304;?#35299;释道,“在新能源汽车?#32479;?#30005;桩的带动下,以IGBT为代表的功率半导体模块行业迎来了新的成长机遇,特别是2015年新能源汽车进入爆发期。富士电机IGBT模块的订单收获主要来自于电动大巴的应用,这块市场起步不久,市场基数虽小但增幅大。” 
展会现场,富士电机带来面向车载应用的最新产品高电流密度六合一IGBT模块,可用于纯电动汽车(EV)、混合动力汽车(HEV)等电动汽车。它是富士电机的汽?#23548;?IGBT模块的第3代产品。

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(汽?#23548;?模块) 
与采用上代产品技术相比,第3代新品尺寸减少50%,重量减轻60%,而功率密度达到原来的约2倍;额定电压为750V,额定电流为800A,最高工作温度为175℃。与第2代产品一样,第3代产品采用“直接水冷方式?#20445;?#20294;改进了冷却机构。冷却风扇的材料由原来的铜换成铝,同时更改了冷却片的形状和配置。另外,在IGBT模块的冷却片一侧安装了流水的“水槽?#34180;?#36890;过改进水槽 的内部结构,提高产品冷却性能。另一项改进是采用了将IGBT和二极管集成在一个芯片上的“RC-IGBT?#34180;?#19982;分别单独配置IGBT和二极管时相比,可以减小功率元件的芯片面积。IGBT部分采用了富士电机最新的第7代“X系?#23567;?#20135;品。 
据塚越 敏夫介绍,由于电动汽车开发周期长,富士电机与该领域合作伙伴保?#33267;?#36317;离接触,充分了解客户需求共同开发定制化产品,双方的商业合作模式并非纯粹的买卖关系,而是更加注重长远发展的战略合作伙伴关系。鉴于IGBT模块是新能源汽车电控系统和直流充电桩的核心器件,接下来,富士电机将在新能源汽车?#32479;?#30005;桩领域逐步?#30001;臁?/p>

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