英飞凌工业半导体

即使你不做技术，只要你看完这篇文章，保证贵司设计*和我司售货员不敢忽悠你。  


这期我们要深入的探讨XHP模块在技术上的特点，不做技术的读者也不用急着退出，下面的技术内容都是通俗易懂的，只要看完了，保证贵司设计员和我司售货员不敢忽悠你。。。当然我司售货员向来都是童叟无欺的。

首先技术方面，用XHP能让设计工作不那么难了，为什么呢？

因为IHV模块都好大好重，做测试搬起来就好难。。。

说回正经的，我听过很多研发工程师跟我云评价，你XHP在大电流应用中需要这么多器件并联，敢说均流不难吗？



XHP并联到底难不难？


真不难，IHV模块看起来电流大不用并联（其实在机车和高铁变流器里还是需要两并联），但是IHV模块的3对主端子是独立的，也是需要外部铜排把3对端子在模块外面并联起来的，如果两个IHV模块并联，那就是6对端子并联，其实也挺考验设计水平的。

如果IHV模块的布局不对称，也会导致并联不均流的问题。例如下图这个布局，左中右三对端子的电流就会出现非常不均流的问题。




说回XHP的并联，英飞凌作为一个负责任的，时时刻刻为客户操碎了心的公司，XHP肯定不会甩给客户研发就不管了，德国的老*们已经为客户写好了一份详细的应用指导，详细介绍了如何让并联更均流。此外，连怎么涂导热硅脂，怎么拧螺丝都写得明明白白。大家点击阅读原文就可以阅读下载这篇应用指导了。（文档编号是AN2018-07）



上图是节自AN2018-07中XHP正确的并联示例。

既然说到了并联，就顺便谈谈结构布局，因为很多时候并联结构设计的不合理都是由于结构的互相干涉不得不妥协导致的。

XHP模块是半桥模块，如下右图，XHP布局中上部分浅绿色是交流排，下部分红色蓝色是正负母排，中间是驱动板。这三个部分划分明确没有任何干涉。



而IHV模块是单桥臂模块，上左图中，上下模块的四排端子在半桥拓扑中分别是：正极、交流、交流、负极。正负交流排三层是叠在一起的，这种叠层母排的工艺复杂，价格贵，而且还又厚又重。

此外IHV模块的驱动板也是被压在铜排的下面，因此驱动板上的元器件高度如果不合适就会和铜排干涉了。有时候用户不得已把驱动板放在远离IGBT模块的地方用长导线连接，这样又会增加驱动回路的杂散电感，影响驱动性能。

然鹅，IHV的这些难题在XHP上都不是问题，您要是还是嫌XHP并联麻烦，那您要不是在和我抬杠，那就是真碰上均流的问题了。。。

注：如果在并联使用中遇上百思不得其解的不均流问题，那估计是遇上了电磁场的问题。请查阅本号于2019年12月刊登的“走近玄学”系列文章。
走进玄学：电磁场对IGBT模块并联的影响（上）
走进玄学：电磁场对IGBT模块并联的影响（下）

看到这里我猜你可能会说那么多模块并联，挑选参数匹配的模块岂不是很麻烦？

不用担心，英飞凌针对XHP模块并联使用提供了一个专享的配对服务。

大家都知道IGBT模块参数的一致性对并联均流也有很大的影响，英飞凌为了方便XHP的客户并联使用，可以根据客户的并联数量提供参数配对服务，我们会按客户要求的并联数量，把配对相应数量的模块打包在一起，这样可以省去客户自己挑选配对的工作和成本。

下图从左至右分别是，单个XHP模块包装，两并联包装，和四并联包装，是不是很贴心？





XHP的半桥拓扑还有另外一个好处，就是杂散电感低


在一个半桥拓扑里，杂散电压是由正极、交流端、负极三部分构成的。如下图所示。



刚刚提到IHV那种单桥臂模块，上桥臂和下桥臂是两个模块中间需要外部铜排连接，因此交流端的杂散电感必然不会太低。

另外正负极分别在两个模块的上端和下端，因此正负极的回路面积必然不会太小，因此正负极的杂散电感也不低。

那我们再看看XHP的情况，下图以XHP3为例，从内部结构的侧视图来看，红色和蓝色的正面铜排在模块内部是几乎贴着走的，因此这个环路面积是非常小的，杂散电感也很小。另外上下桥臂芯片在模块内部的距离也很近，因此这里的杂散电感也很小。



较终在一个半桥中的表现，以四个450A的XHP3并联对标1500A的IHV模块，IHV模块组成半桥的整体杂散电感一般在80~90nH这个水平，而XHP3能减小到15~20nH。

杂散电感带来哪些好处呢？

减小二极管反向恢复时的振荡，减轻二极管应力
降低IGBT关断时的电压尖峰
在同等二极管应力下，降低开通损耗



三电平应用中的优势


蹭一波三电平的热度，XHP在三电平中也有着*到的优势，首先XHP是半桥模块，因此3个XHP模块就可以组成一个三电平半桥了，如下图所示。



其次，如果这个三电平直流侧中点不能接地，只能负点接地，如同上图中左下角的接地位置。当母线电压是1800V+1800V，我们用3300V的IGBT模块组成三电平，如果是上图这样负点接地这时IGBT模块的绝缘能力是需要按3600V母线来计算的，需要10kV(AC)级别的绝缘能力。

像IHV的3300V模块绝缘能力都是6kV(AC)，而XHP3的3300V模块同时提供6kVAC和10kVAC两个绝缘版本，而且模块电气和热阻参数是完全相同的。另外XHP2未来也将提供4kVAC和6kVAC两个绝缘版本。因此XHP系列在三电平应用中是非常有优势的。



功率密度的优势


以3300V这个电压等级，XHP3目前已经量产了450A电流的IGBT模块，在今年年内还会量产高电流等级550A的模块。我们就基于这两款XHP3来讨论下在功率、电流密度方面的优势。

以半桥拓扑为例，4个450A的XHP3可以对标两个1500A的IHV模块，下图有对比结果，XHP3的电流密度更大。



此外还有即将上市的500A模块，全名叫做FF550XTR33T3E4_B5。大家如果熟悉英飞凌IGBT模块的命名方式，可能好奇为啥550后面多了XT两个字母？

这里的XT意味着这款型号是加持了.XT技术的，没错就是那款在风力发电中的**产品IGBT5用到的.XT技术。

简单介绍一下.XT技术，它是模块内部芯片、绑定线、焊层等方面的综合技术，通过.XT技术可以大幅提高IGBT模块的功率循环寿命和电流密度。

下图是普通工艺和.XT技术的差异，3300V的.XT技术主要使用了加强的铝绑定线和烧结工艺，可以使XHP3.XT模块达到5倍于普通模块的循环寿命能力，并且降低了热阻。



此外大家可能还注意到了FF550XTR33T3E4是以E4结尾的，这意味着芯片也升级了一代。

3300V E4的芯片基于英飞凌较新的8英寸晶圆工艺，采用了已经多年成熟可靠用于6500V芯片的DLC/VLD技术。DLC是一种类金刚石镀膜工艺，用于形成芯片表面钝化从; VLD是横向变掺杂边缘截止工艺，对比传统的场限环技术可以增加芯片的有效通流面积达到12%，因此同样尺寸的芯片可以流过更大的电流。同时DLC/VLD技术能使芯片的可靠性鲁棒性明显提高。



另外就是FF550XTR33T3E4_B5的后缀B5，代表的是这个模块的绝缘是10.4kV(AC)，未来量产后这款550A的器件都是10.4kV这个绝缘等级。

综合以上几方面的技术提升，FF550XTR33T3E4_B5的性能提升指标具体如下表中所述。




关于XHP2封装，未来也将推出基于.XT技术的1700V模块，电流较大将达到1800A，我们以后会有详细的介绍。

最后给大家介绍一个实际的应用案例。




这是PCIM上发表的一篇论文，论文介绍了一家国际非常着名的轨道交通企业设计的一款基于XHP模块的变流器功率单元。大家感兴趣的可以自己下载来看看。



 结 语


通过上下两篇的内容，相信大家已经对XHP的优势有了比较明晰的认识。

最后我还想聊点看似无关，其实有关的一点内容。

较近几年，世界各大汽车厂商都在推进车型的平台化设计，例如大众的MQB\MLB平台，丰田的TNGA架构等。大众的MQB\MLB平台设计其实是投入了很大的研发资源和成本的，但是当平台设计好了以后，大众的MQB平台可以覆盖从高尔夫到帕萨特，甚至是大七座SUV途昂。MLB平台可以覆盖奥迪A4、A6、保时捷Macan等车型。丰田的TNGA架构覆盖了从卡罗拉到凯美瑞到雷克萨斯ES。这样的平台化设计能帮助车企更快的推出多种多样的车型，而且通过统一化的零配件可以大幅度降低成本。

轨道交通虽然没有汽车行业竞争那么激烈，但是未雨绸缪总不是坏事，更何况参与制定Roll2Rail的这些欧洲公司已经开始向平台化进军了。



关于英飞凌
英飞凌设计、开发、制造并销售各种半导体和系统解决方案。其业务重点包括汽车电子、工业电子、射频应用、移动终端和基于硬件的安全解决方案等。

英飞凌将业务成功与社会责任结合在一起，致力于让人们的生活更加便利、安全和环保。半导体虽几乎看不到，但它已经成为了我们日常生活中不可或缺的一部分。不论在电力生产、传输还是利用等方面，英飞凌芯片始终发挥着至关重要的作用。此外，它们在保护数据通信，提高道路交通安全性，降低车辆的二氧化碳排放等领域同样功不可没。