东芝功率器件的独家门道，IEGT、SiC器件如何顺应市场发展？

2020-11-24 17:24:17 来源: 亚亚君

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最近几年，我国特高压输电工程进入建设的高峰期，自从2018年9月，国家能源局发布《关于加快推进一批输变电重点工程规划建设工作的通知》，其中提及将加快9项重点输变电工程建设，12条特高压工程也在当年发布的接下来两年时间里进行审核。《通知》表明了我国电网工程建设的觉醒，背后也出现了关于功率器件的生意。

在今年11月中旬上海举办的PCIM（上海国际电力元件、可再生能源管理展览会）上，东芝重点展出的压接型IEGT[1]（PPI）就是这行电网工程建设中的值得一提的功率器件。

据东芝电子元件（上海）有限公司分立器件应用技术部门高级经理屈兴国介绍，压接型IEGT的所有电气连接都是通过压力实现的，因为没有引线键合，所以PPI对热疲劳的抵抗力较强。陶瓷的外壳封装也起到了防爆的作用。

这看似简单加了外壳的设计，其实背后对工艺一致性的要求非常严格。正如屈兴国所说：“一个封装里包含着42颗小芯片，互相采取并联的方式，但42个‘兄弟’必须长得一样高，其中一个稍微不一样就会损坏，对产品的一致性要求很高，而且需要成千上万个产品出货时，更是需要核心技术支撑。”

此外，现场还展示了东芝与代理商雅创合作开发的PPI三电平功率组件，如下图所示，由三电平NPC拓扑、采用4.5KV 1.5KA压接式IEGT，组合起来则能够适用于5MW的变流器。

与之对应组合的是一款水冷散热系统，如下图。

同样由东芝和雅创合作的十串联功率组件（如下图），也是采用此种PPI，以实现高电压、高功率的实际应用需求。

应用场景则是海上风力发电机组、柔性输配电等，据屈兴国介绍，目前一些国家电网的输配电项目采用的就是此种PPI，在输配电的使用中，一个站点就会有几千片的需求量。海上风力发电中，单机用量也会达到24片或者36片。

在未来，随着中国柔性直流输电、直流电网的发展，对器件功率密度、可靠性的要求越来越高。屈兴国表示：“当下我们可以做到单个PPI耐压4.5KV，未来将会往更高电压等级发展，比如6.5KV。背后技术的关键是单颗IEGT芯片的能力要变强，随着耐压等级的提高，串联的数量就会随之减少，也会带来成本的下降和体积变小。”

不过，对于更长远的规划，东芝瞄准了SiC。

在追求纯SiC大功率器件的路上，东芝采用了一种SiC的混合模块方案，叫SiC-SBD混合模块，内部是碳化硅肖特基二极管（SiC-SBD芯片）和IEGT芯片组合。据屈兴国介绍：“SiC二极管的反向恢复损耗几乎为0，所以在散热性能上有优势，因此，使用这种产品设计的方案体积也会比此前IEGT缩小40%。”例如电力机车用驱动控制系统装置的要求就是尺寸小、重量轻、节能。

SiC-SBD混合模块

据现场透露，纯SiC的功率器件，东芝也在研发之中，屈兴国认为这是趋势，东芝自然不会放过。目前是工程样品，预计明年Q2季度会发布，但量产日期还在后面。当下东芝所面临的是纯碳化硅产品的成品率太低和成本太高问题。

在今年PCIM现场，东芝还展示了车载分立器件，如下图所示，广泛适用于电子助力转向、引擎／变速系统、HEV/EV应用、车载信息系统、刹车系统、车载空调系统等其他车身应用。

对于汽车应用，东芝保留着一贯的保守姿态，当在日本汽车行业成熟使用后，再对国际上进行推广，也是一种稳重的做法。目前，东芝车载分立器件全部符合车规要求。

在谈及近期MOS芯片涨价问题，屈兴国表示，背后的原因是8寸晶圆产能问题，目前很多厂商都在投资12寸厂，而8寸产能并没有得到很好的扩充。此外，8寸的技术并不能够直接转移到12寸上。目前MOS芯片的价格渐渐平稳，可能四季度还会有一定涨幅。

备注：[1] 一开始并没有东芝IEGT这个名称，为了降低IGBT器件的静态损耗，东芝在九十年代率先实现了栅极注入增强（Injection Enhanced Gate Transistor）的技术，随后，东芝以该技术的首字母注册了专属的IGBT器件名称——IEGT。因此，IEGT可以理解为是东芝IGBT的专有名称。

责任编辑：sophie

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