多年來，市場對功率半導體的需求一直在增加，需要功率轉換系統的小型化、成本的降低和性能的提高。這種性能增益是通過增加給定封裝尺寸的輸出功率來實現的，這與系統內的高溫密切相關。由于在高溫下的功率循環次數減少，這會導致產品壽命縮短的風險。

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圖 1：

具有兩個特征輸出端子的 PrimePACK?3+ 外形。圖片由?Bodo 的 Power Systems提供。

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由于這種現象，富士電機接受了開發能夠承受這些更高性能水平的芯片和封裝的挑戰，并在幾年前推出了第 7 代“X 系列”IGBT 模塊技術。通過降低功耗，它結合了高功率密度和高可靠性。此外，富士電機還開發了 RC-IGBT 技術，將 IGBT 和 FWD 集成在一個芯片中。這不僅可以通過保持相同的額定電流水平來減少芯片數量和芯片面積，甚至可以實現更高的電流。

通過將 X 系列技術與 RC-IGBT 技術相結合，可在相同封裝尺寸下增加額定電流并減小功耗。RCIGBT 產品組合的可靠性超過了傳統 IGBT 模塊的水平。在本文中，富士電機介紹了用于工業應用的標稱電壓為 1,700 V（和 1,200 V）的 PrimePACK?3+。

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圖 2：

?X 系列 RC-IGBT 和等效電路的示意圖。圖片由?

Bodo 的 Power Systems

提供。

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RC-IGBT技術

RC-IGBT 技術將 IGBT 和 FWD 區域的模式與合適的結構結合在一個芯片上。有源面積占總芯片面積的比例增加，因為芯片的邊緣終端相對減少，并在模塊外殼中為更大的芯片產生更多空間，以獲得更高的輸出電流。另一個好處是擴展的芯片面積大大降低了結和外殼之間的熱阻 R th(jc)。

較大的芯片面積就像一個熱緩沖區：IGBT 區域產生的熱量也傳遞到 FWD 區域，反之亦然。因此，RC-IGBT 的 I2t 能力是前代 V 系列產品的 3.8 倍。

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圖 3：

?150 攝氏度時的I 2 t 能力。圖片由?

Bodo 的 Power Systems

提供。

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開關波形（圖 4-6）是在 150 攝氏度高溫下拍攝的，強調了 RC-IGBT 芯片的平穩運行。過電流和過電壓峰值很整齊，并且振蕩發生在非常有限的水平上。尾電流非常小，可以防止關斷過程中出現大的能量損失。

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圖 4：

在 150 攝氏度時開啟的開關波形。V CE和 I C的平滑開關，沒有更大的振蕩。圖片由?

Bodo 的 Power Systems

提供。

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圖 5：

在 150 攝氏度時關斷的開關波形。小尾電流防止了大能量損失的存在。圖片由?

Bodo 的 Power Systems

提供。

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圖 6：

?150 攝氏度時反向恢復的開關波形，振蕩非常低。圖片由?

Bodo 的 Power Systems

提供。

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一些正確的 RC-IGBT 設計和使用示例描述了這些優點：

大型并網光伏系統，其中 IGBT 模塊通常并聯連接以擴大輸出電流。這種拓撲通常需要大量系統空間和精心規劃的電氣設置，電流不平衡最低。光伏系統以相對恒定的功率正常運行。在過去使用兩個 1,400 A PrimePACK? 的情況下，現在可以用一個額定電流為 2,400 A 的 RC-IGBT 模塊替換它們，從而將占位面積減少 50%。模擬和現場使用經驗顯示并強調了這種技術飛躍的好處。

大功率驅動系統在電機啟動期間具有低輸出頻率。這是最關鍵的階段，因為負載在單個芯片上占主導地位的時間相對較長。由此產生的高溫波動會對芯片連接的鍵合線連接造成熱應力，并最終降低功率循環壽命。通過應用 RC-IGBT 技術及其更大的相對芯片面積，這些溫度波動大大降低，從而延長了使用壽命。如果此類應用有兩個 V 系列（第 6 代 IGBT）模塊并聯使用，則可以將它們與 X 系列的單個 RC-IGBT 模塊互換，從而延長使用壽命。

在風電應用中，輸入的風電被一些電力電子設備轉換兩次。在發電機側，逆變器將提供交流電的風力渦輪機的旋轉轉換為直流電。渦輪旋轉緩慢啟動，高負載對 IGBT 和 FWD 造成很大壓力。RC-IGBT 芯片可以防止這些高溫波動。在電網側，電能被轉換回交流電并饋入電網。雙方需要履行不同的角色，因為功能也不同。然而，對更高性能的需求將這些 AC/DC 和 DC/AC 轉換器結合在一起。RC-IGBT 技術有助于將系統的輸出電流提高到之前 V 系列技術解決方案的 165%。

1,800 A 第 7 代 IGBT 模塊與 2,400 A RC-IGBT 模塊的運行比較強調了采用 RC-IGBT 技術的模塊具有更長的使用壽命。由于相同輸出電流下的溫度波動較小，因此使用壽命大大增加。

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圖7：

計算條件：I o =Vari., f c =3kHz, f o =50Hz, V cc =600V, pf=0.9, m=1.0, R G =+0.22/-0.22Ω(X), +1 /-1Ω(V), Rt h(sa) =0.006K/W, R th(cs) =0.0014K/W (使用3W導熱硅脂), Ta =50deg.C . X系列模塊與RC-IGBT連續工作時IGBT T vj(max)與I o關系的計算結果。圖片由?

Bodo 的 Power Systems

提供。

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圖 8：

在電機啟動期間增加輸出頻率模式和溫度擺幅 ΔT vj 。（上）計算條件：I o =Vari., f c =3kHz, f o =1Hz, V cc =600V, pf=0.9, m=0.01, R G =+0.22/-0.22Ω(X), +1 /-1Ω(V), R th(sa) = 0.006K/W, R th(cs) = 0.0014K/W (含3W導熱硅脂), T a =50℃, 低頻啟動至連續健康）狀況。（下）圖片由?

Bodo's Power Systems

提供。

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利用 RC-IGBT PrimePACK? 的另一種方法是通過用四個 2,400 A RC-IGBT PrimePACK? 替換 16 個 600 A Dual XT 模塊來實現更小的占位面積。除了使系統更易于控制的驅動器單元數量減少外，占用空間也縮小到僅初始系統大小的 40%。隨著各種 RC-IGBT 封裝產品陣容的增加，這種小型化趨勢在未來將更加普遍。

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圖 9：

常見的第 7 代 X 系列 1800A 模塊和同樣使用第 7 代 X 系列 IGBT 的 RC-IGBT 2400A 模塊的結溫擺動曲線比較。RC-IGBT 在相同的輸出電流下實現了較小的溫升。計算條件：I o =Vari., f c =3kHz, f o =5Hz, V cc =1200V, p f =-0.9, m=1, Standard R G , R th(sa) =0.0047oC/W, R th(cs) =0.0014°/W（使用 3W 導熱硅脂），Ta = 35°C。（上）功率循環能力曲線比較顯示了 2400A RC-IGBT 的統計預期壽命增加。（底部）圖片由?

Bodo's Power Systems提供

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圖 10：

?X 系列 IGBT 模塊的陣容，與前身 V 系列相比，還包括 RC-IGBT 技術。圖片由?Bodo 的 Power Systems提供。

富士電機的 PrimePACK? 產品組合專為工業應用而設計，可在 1,700 和 1,200 V 級提供高達 2,400 A 的額定模塊電流。與傳統的 X 系列技術相比，這增加了 33% 的標稱輸出功率。由于輸出端子產生熱量，處理 2,400 A 的電流具有挑戰性，因此選擇了具有兩個輸出端子的 PrimePACK?3+ 封裝。

RC-IGBT技術增加的輸出功率有助于提高功率轉換系統的性能。在相同的占位面積內實現更高的電流支持系統的持續小型化。富士電機在 PrimePACK?3+ 中提供這項技術以滿足市場需求，并努力實現安全、可靠和可持續發展的社會。