XHP——让设计工作如同玩乐高(上篇)

本文作者

孙辉波,范志宇,杨天柱

即使你不做技术,看完这篇文章你也知道XHP有多好玩。

可能大家印象中的大功率高压半导体器件都是这样的,额定电流电压动辄上千安培和几千伏特,厚重硕大的外形和尺寸,带着工业革命的中古气息。

开个玩笑,工业革命时代是有点夸张了,但是不管怎样说经典的IHV、IHM封装模块已经有二十几年的历史了,即便是后起之秀PrimePACK™,也有15年的历史了。

在这二十多年里,IHV、IHM、PrimePACK™封装见证了交流变频牵引系统的高铁动车、机车和地铁的普及,见证了兆瓦级风机的矗立,见证了柔性直流电网的百年工程,还见证了变流器设计工程师从刚毕业睡在公司加班调试组装产品直到现在趴在地板上陪娃组装乐高模型。

但是过去的二十年也让电力电子行业从遍地黄金逐渐到了今天白热化的竞争局面,二十年前的设计理念是否还能否适应今天的竞争环境?

做为IGBT以及功率半导体行业的领先企业,英飞凌根据当前大功率变流器的发展趋势和行业标准,创新推出全新的XHP封装,从功率器件层面帮助用户革新产品设计理念,全方位提升用户产品竞争力。至于具体是哪方面革新?如何提高产品力?下面请看我细细道来。

XHP——FleXible High-Power Platform全新的封装概念

我们先看看XHP系列的封装外形和它的前辈们有什么风格上的不同。

XHP2

匹配芯片电压为:1200V, 1700V, 3300V;基板尺寸:100mm*140mm

XHP3

匹配芯片电压为:3300V, 4500V, 6500V;基板尺寸:100mm*140mm

XHP分为两种封装,如上图中所示。

XHP2和XHP3的基板尺寸和安装孔位置也是完全相同的,这意味着它们的散热器是兼容的。

我们再看看传统的High Power Module.

IHM\IHV 190mm*140mm 1200V,1700V,3300V,6500V

IHM\IHV 130mm*140mm 1200V,1700V,3300V,6500V

PrimePACK™3 89mm*250mm,1200V, 1700V

PrimePACK™ 2 89mm*172mm,1200V, 1700V

大家可以看到,如果某公司产品线丰富,上面的high power模块都在用,那么他们需要为不同封装至少设计四个尺寸的散热器。

其实XHP的封装理念,改变了大功率半导体器件一致以来的,以不同封装基板面积来实现不同电流等级的传统。XHP创新的封装理念是以不同的的器件并联数量来实现满足不同的电流等级。说到这里顺便讲一个小故事,在XHP最早的原型样品上,为了贯彻XHP封装可以像乐高一样拼接的理念,早期样品的外壳上左右分别有一个卡扣,真的可以像乐高积木一样拼接成一个整体。如下图所示。(注:早期样品外壳为白色,量产时改为可靠性更高的黑色材料)

但是用户反馈这个卡扣容易不小心掰断,因此最后量产时取消了这个卡扣。但是从这个故事我们可以感受到设计者对模块化理念的推崇。

XHP封装的优势

XHP的优势有很多,为了避免不搞技术的读者看到这就把文章关了,我们先从非技术层面聊聊。

高压高功率半导体器件最常见的应用领域有:轨道交通、输配电、海上风电、中压变频器(矿用变频器)等等。

轨道交通应该是我们平时生活接触最多的,平时上班乘坐地铁,旅行乘坐火车高铁。同时轨道交通对功率半导体器件的性能和可靠性要求相对是最高的,因此我们下面都以轨道交通应用来讨论。

下图是轨交车辆的常见车型,地铁、机车火车头、动车、高速动车,每种类型的火车规格参数都不同,需要的电压电流以及驱动功率也不同。

另外现在国内的高铁车辆技术已经发展到世界一流的行列了,随着一带一路的发展,未来会有越来越多的海外订单,可是海外那么多国家,每个国家都有自己的铁路电网标准,例如欧洲各国的铁路供电规格,如下图所示。

如果某个大企业产品覆盖上述各种车型,并且还打算进军欧洲市场,那这个企业的采购应该很喜欢XHP,因为即便这多车型和电压等级的要求,但是XHP模块全部都可以覆盖满足。

此外还有IGBT外围的散热器,驱动板,铜排结构件等等,这些配件的种类都能大幅度减少。这对于采购下单备货,库存管理,甚至谈价格的工作量都会大幅减少。自从用上了XHP,以前加班的时间,都可以用来陪娃拼乐高了。

XHP是轨道交通未来的方向

IGBT模块中技术难度最高,可靠性要求最高的就是牵引级器件。其实牵引级IGBT模块不仅用于轨交行业,其他需要高可靠性的如电力传输,风电,船舶等也会使用牵引级器件

大家都知道欧洲市场对轨道交通应用的器件要求很高,其实XHP就是依据欧洲Roll2Rail 会议制定的面向未来的轨道交通高功率半导体器件的标准规格设计出来的,同时还考虑了SiC的应用要求。Roll2Rail会议参与者都是欧洲和世界轨道交通业界的知名公司,因此这个标准也代表了未来国际轨道交通业的趋势。

在Roll2Rail的D1.2文件,Contract No.H2020-636032,如下图。

其中的4.2.3章节定义了两个封装尺寸,如下图所示,其实这就是英飞凌公司推出XHP2和XHP3的动因。

总结一下XHP封装的特点以及主要目标应用领域:

  • 半桥拓扑,模组化,易于并联
  • 低寄生电感和对称的内部结构,便于均流,同时可兼容SiC芯片
  • 绝缘等级适应于高达6.5kV IGBT模块
  • CTI  > 600的高可靠性绝缘外壳
  • 符合火灾和烟雾安全的欧洲标准EN45545 R22, R23, R24:HL2
  • AlSiC底板和AlN DCB基板带来超长的功率循环寿命和优秀的散热性能
  • 超声波焊接端子,坚固可靠
  • 牵引驱动和辅助变频器(Traction)
  • 中压变频器 (MVD)
  • 船舶推进系统,助力系统和电源系统 (eMarine)
  • 商用车,矿用车和农用车的主轮驱动 (CAV)
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