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三菱電機以SiC功率技術深耕家電、汽車、牽引和工業應用
文章来源:永阜康科技 更新时间:2019/7/2 9:43:00
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“從未對創新懈怠,保持著一貫的技術叠代步伐。”這是三菱電機半導體的匠人心態。自1921年以來,深耕變頻家電、工業、新能源、軌道牽引、電動汽車五大應用領域。如今,三菱電機研發推出的DIPIPMTM已成爲變頻家電領域不可或缺重要組成部分,而且其高速機車用HVIGBT模塊也早已成爲行業默認的標准。

過去一年,三菱電機在新能源發電特別是光伏、風力發電領域,推出基于LV100封裝的新型IGBT模塊。通過不斷改善芯片技術,在軌道牽引應用領域,X系列HVIGBT不僅拓寬了安全工作區域度,提升了電流密度,而且增強了抗濕度和抗凝露魯棒性,從而進一步提高了牽引變流器現場運行的可靠性。而在電動汽車領域,直接水冷型J1系列Pin-fin模塊憑借封裝小、內部雜散電感低的獨特性能,獲得了市場青睐。

在PCIM亚洲展2019上,三菱电机带来了19款功率模块并重点展示了表面贴装型IPM、大型DIPIPM+TM、X系列HVIGBT、和SiC MOSFET分立器件、全SiC高压模块5款新型功率模块。其中SiC MOSFET分立器件和全SiC高压模块是国内首次展出。

拳頭産品持續引領行業方向

目前,变频家电市场在快速增长。“可以说,三菱电机在家电领域已经是领导者,为了持续保持领先地位,三菱电机根据不同产品的细化提供更多的产品线迎合客户的要求。” 三菱电机半导体事业本部首席技术官Dr.Gourab Majumdar说,通过“做小”产品和“做大”功率两个方向的延伸,三菱电机将进一步巩固自身在IPM及DIPIPMTM制造的经验。

據悉,三菱電機進攻小功率變頻市場主要是爲了開拓以空調風機、冰箱和洗碗機等家電新消費領域。去年,針對這一領域,三菱電機展出了用于變頻家電的小型封裝SLIMDIP-S/SLIMDIP-L,今年,三菱電機展出了更小封裝的表面貼裝型IPM,該産品采用RC-IGBT芯片實現更高的集成度,采用貼片封裝,使得IPM體積更小;內置全面保護功能(包括短路/欠壓/過溫保護),可采用回流焊來降低生産成本。

現在很多變頻空調在壓縮機驅動上用了三菱的DIPIPMTM,在風機驅動上應用比較少,所以通過導入原有客戶,三菱電機可以進一步擴展産品應用。目前,三菱電機這種新型的表面貼裝型IPM已經在家電市場中獲得客戶認可。

爲了適應變頻市場高可靠性、低成本、小型化等的應用需求,三菱電機于上世紀開發了雙列直插型智能功率模塊——DIPIPMTM系列産品。DIPIPMTM通過內置HVIC,使其外圍電路變得更加簡單緊湊,節約了用戶成本。從1997年正式推出DIPIPMTM到2019年1月,三菱電機DIPIPMTM産品已累計發貨超過6.5億片。

針對商用空調多聯機,三菱電機將會推廣大型DIPIPM+TM系列産品。今年,三菱電機大型DIPIPM+TM模塊即將量産,額定電流覆蓋更廣。大型DIPIPM+TM模塊具有完整集成整流橋、逆變橋以及相應的驅動保護電路,該産品采用第7代CSTBTTM矽片,內置短路保護和欠壓保護功能以及溫度模擬量輸出功能和自舉二極管(BSD)及自舉限流電阻,額定電流覆蓋50~100A/1200V,可以簡化PCB布線設計,縮小基板面積。

DIPIPM+TM將DIPIPMTM系列産品的應用領域拓展至更高功率密度的交流傳動上,可靠性進一步提高,失效率大幅降低,減少了工程師開發産品的周期。三菱電機半導體大中國區技術總監宋高升進一步解釋,因爲集成了相關的周邊器件,使得客戶可以將電路板做得更加簡化,圍繞功率模塊的周邊器件數量減少。

成爲車用功率模塊標杆

在三菱電機半導體大中國區市場總監錢宇峰看來,電動車作爲城市環保的主力軍,未來發展空間巨大。盡管現在汽油車連續幾個月出現負增長,但是電動車的市場仍將蓬勃發展。據相關機構預測,2019年,整個電動汽車銷量將達到150萬台,到2020年,將達到500萬台。而三菱在電動車領域,目前主推J1系列産品,已涵蓋650V/300A~1000A、1200V/300A~600A的容量範圍,基本上可滿足30kW~150kW的電驅動峰值功率的應用要求。

Dr.Gourab Majumdar表示,从最开始跟一些日系的车厂开发到现在,在新能源车主驱驱动上,三菱电机已经拥有20多年的经验积累。最新J1系列功率模块实现了散热器和功率模块二合一,目前下一代具有更高性价比的产品已经正在研发。

在轨道牵引行业,三菱电机的HVIGBT模块已得到在全球轨道及交通市场的广泛认可,成为行业默认的标准。2019年,针对轨道牵引、电力传输和高可靠性变流器等应用领域,三菱电机半导体将会推广功率密度更高的X系列HVIGBT,涵盖传统封装、 LV100封装(6kV绝缘耐压)、HV100封装(10kV绝缘耐压)三种封装模式。

X系列HVIGBT進一步擴展3.3kV/4.5kV/6.5kV的電流等級,實現更大電流密度,該産品采用第7代CSTBTTM矽片技術和RFC二極管矽片技術,能夠降低功率損耗;此外,該産品采用LNFLR技術減小結-殼熱阻,全系列運行結溫範圍達到-50℃~150℃,安全工作區(SOA)裕量大,且無Snap-off反向恢複。

通過優化封裝內部結構,X系列HVIGBT提高散熱性、耐濕性和阻燃性,延長産品壽命。該系列采用傳統封裝,可兼容現有H系列和R系列HVIGBT,其中,LV100和HV100封裝,交直流分開的主端子布局,利于並聯應用;LV100和HV100封裝,全新的封裝結構,實現極低內部雜散電感。

搶占SiC市場制高點

SiC功率模塊由于有耐高溫、低功耗和高可靠性的特點,可以拓展更多應用領域。據權威機構預測,到2023年SiC功率市場總值將超過14億美元,2017年至2023年的複合年增長率(CAGR)將達到29%。目前,SiC功率市場仍然主要受功率因數校正(PFC)和光伏(PV)應用中使用的二極管驅動。預計五年內,驅動SiC器件市場增長的主要因素將是MOSFET,該細分市場在2017~2023年期間的複合年增長率將達到驚人的50%。

三菱電機是將SiC技術應用于功率模塊的先驅之一,已經發布了近三十款SiC功率模塊,包括Hybrid-SiC-IGBT模塊、Hybrid-SiC-IPM、Full-SiC-MOSFET模塊和Full-SiC-IPM等。其SiC功率模塊産品線涵蓋額定電流15A~1200A及額定電壓600V~3300V,目前均可提供樣品。

此次国内首次展出的全SiC高压半桥模块(3.3kV/750A)也备受关注,其内部包含SiC MOSFET及反并联SiC肖特基二极管(SBD)。为了降低模块封装内部电感(<10 nH)和提高并联芯片之间的均流效果,这款模块采用了一种被称为LV100全新的封装,采用交直流分开的主端子布局,利于并联应用并实现极低内部杂散电感。

“这款前沿产品,必将推动国内铁道牵引、电力传输和固态变压器领域新一轮高功率密度变换器的研究和开发。” 在此前接受采访时,三菱电机半导体大中国区技术总监宋高升说。

早在2013年,三菱電機供軌道交通車輛使用、搭載3.3kV的全SiC功率模塊便已經實現了商業化,其後,三菱電機一直堅持致力于推廣更節能的SiC功率模塊以逐步取代傳統的Si功率模塊。與Si-IGBT模塊相比,FMF750DC-66A具有更低的開關損耗,其Eon相對降低了61%,Eoff則相對減小了95%。

在车载充电器(OBC)、PFC、光伏发电应用领域,SiC SBD和SiC MOSFET两款分立器件产品同样值得期待。目前,电动汽车市场需求与日俱增,而通常所说的电动汽车包括电动乘用车和电动大巴。电动乘用车里多个地方需要用到功率器件,包括主驱变频器、OBC、助力转向等。三菱电机正在电动乘用车和电动大巴这两大市场同时发力,以进一步拓展功率器件的应用领域。

SiC SBD正向压降低,具有更高I2t,对抗浪涌电流有更强的能力;此外,该产品还具有更强的高频开关特性,可以使周边器件小型化(如电抗器),可应用于车载电子产品。

而SiC MOSFET采用第2代SiC工艺,沟槽栅型结构,具有低Ron和低反向恢复损耗,适合更高开关频率,既可应用于于工业级产品,也可应用于车载级产品。

未來,三菱電機將基于第2代溝槽型SiC-MOSFET芯片(6英寸)的SiC功率模塊實現可批量生産,並逐步完善600V、1200V、1700V系列。與此同時,將應用SBD嵌入式平板型SiC芯片技術開發新一代3.3kV和6.5kV高壓SiC-MOSFET模塊。

2019年,大功率的半导体器件都处于缺货的状态,交货很紧。对于此, Dr. Gourab Majumdar表示,三菱电机除了自己投产建立晶圆厂之外,也正在找寻一些代工厂帮助其加工一些晶圆的工序,保证持续稳定的供货。事实上,与2016年、2017年相比较,2019年三菱电机的投资金额增长了2倍,对于未来的扩产计划,Dr.Gourab Majumdar很有信心。

在2018年度,三菱電機以位于日本熊本和中國的主力工廠爲中心進行了投資。計劃到2022年度,以功率半導體爲中心的功率器件業務力爭實現2000億日元銷售。

顺应IGBT的发展趋势,从第一代IGBT到第七代IGBT,三菱电机不断推陈出新,晶圆越来越薄,栅极与栅极之间距离越来越近,产品越来越小型化,实现小封装大电流产品的提升。Dr.Gourab Majumdar称三菱电机下一代超级薄的晶圆会把性能指数调整得更高。

可以说,以“Changes for the Better”为企业宣言,成就了三菱电机在功率半导体市场的领先地位。

 
 
 
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