INFINEON IGCM20F60GA

CIPOSTM SIL
-英飞凌智能功率模块
2009年7月
目录
CIPOSTM SIL 概况
封装技术
功率器件技术
驱动IC技术
CIPOSIM 模拟软件
参考测试线路板
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CIPOSTM
„ Control Integrated Power System = CIPOSTM
† 传递模塑型(Transfer-molded) 集成模块 - 三相逆变IGBTs及驱动IC,
当中包含周边元件: 热敏电阻, 自举电路中的电阻及二极管
† 一体化的 DCB/PCB
† 产品系列 : 8A, 12A, 17A, 22A (常温下的DC电流值)
† 封装尺寸 : 50.4 x 30.2 x 6.0 mm3
† 产品参考网路 : www.infineon.com/cipos
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CIPOSTM - 模块之应用
„ 家庭电器及低功率工业类用途(最高为3kW)
600V之应用 (最高为3kW)
„家庭电器
†洗衣机
†空调
†冰箱
†洗碗碟机
†电机 / 风扇 (空气清新机, 水机)
„低功率工业类用途
†水泵
†通用变频器及伺服系统
†跑步机
†风机
†缝纫机
†自动门
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CIPOSTM - 基本电路图
TrenchStop IGBT
+ EmCon二极管
发射极开路作检测电流
Open emitter for
current monitoring
适合开关特性的基极
电阻及电容
Adaption of
switching
behavior with
gate resistors
and capacitors
自举电路滤波电容
Bootstrap filter
cap 100nF
自举电路二极管及电阻
Bootstrap diodes
and resistor
电压钳位
Voltage clamp
偏置滤波电容
Bias filter cap
100nF
6ED003L06-F
Drive IC
NTC 热敏电阻
Thermistor
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CIPOSTM - 产品理念
IGBT 及 二极管
• 新一代TrenchStop-技术的IGBT
• 软关闭二极管的EmCon-技术
• 更薄的晶圆技术
• 晶片装配在DCB上及在绝缘状态
封装技术
• 薄片式”芯片铜板直接耦合技术” − DCB
(Direct Copper Bonding)
• SIL (单列直插) 节省线路板空间
• 低热阻 及 高电压绝缘技术
• 灵活及高密度集成设计 DCB/PCB
6位的基极驱动IC
• SOI-薄晶片技术
• 无闩锁效应 (No latch-up, 非传导性绝缘)
• 过流保护 (OCP)
• 每相位的信号锁定 (Signal interlocking)
• 对负电压脉冲拥有高对抗性 (negative voltage
transients, -50V)
包含更多周边元件
• NTC 热敏电阻
• 自举电路 (电阻及二极管)
CIPOSTM 实现三相驱动设计中简单而理
想的方案,更集合驱动IC,IGBT,二极管,
热敏电阻及自举电路
The whole is more than the sum of it's parts
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(Aristoteles)
(Aristoteles)
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CIPOSTM - 系列
Ic (A) @ 25oC
产品型号
特点
IKCS08F60B2A, IKCS08F60B2C
8
IKCS12F60B2A, IKCS12F60B2C
12
IKCS17F60B2A, IKCS17F60B2C
17
IKCS22F60B2A, IKCS22F60B2C
22
IKCS08F60F2A, IKCS08F60F2C
8
IKCS12F60F2A, IKCS12F60F2C
12
IKCS17F60F2A, IKCS17F60F2C
17
IKCS22F60F2A, IKCS22F60F2C
22
IKCS12G60DA, IKCS12G60DC
12
三相逆变 (3-phase inverter),
发射极闭路 (Close emitter),
内置取样电阻 (Integrated shunt),
故障及温度数据PIN脚(独立) (/FAULT, temp. pin
separately available)
IHCS22R60CE
22
两相桥式开关磁阻电机 (2-phase switch
reluctance bridge)
三相逆变 (3-phase inverter),
发射极开路 (Open emitter),
5V/3.3V 单片机通用 (5V/3.3V MCU compatible),
温度数据PIN脚 (Temp. pin)
三相逆变 (3-phase inverter),
发射极开路 (Open emitter),
5V/3.3V 单片机通用 (5V/3.3V MCU compatible),
故障及温度数据PIN脚(共用) (/FAULT, temp. pin
combined)
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CIPOSTM - 线路图
IKCS12F60F2x
IKCS12F60B2x
基极
电阻及电容
Gate
resistor
and
capacitor
故障及温
度数据
/Fault
& Temp
电压钳位
Voltage
clamp
温度
数据
Temp
only
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CIPOSTM - 线路图(续)
IKCS12G60Dx
IHCS22R60CE
Vb (5)
内置取样
电阻
Build-in
Shunt
TAh
TBh
DAh
DBh
LA1 (7)
LA2 (9)
LB1 (11)
LB2 (13)
DAI
GND_Rsh1 (15)
DBI
TAI
TBI
Rsh
RH1
RL1
RH2
RL2
CbsA1
CbsA2
故障输出
Fault
output
CbsB1
CbsB2
Dbs1
Dbs2
Rbs1
Rbs2
VDD (22)
VDD
/AHIN (18)
/BHIN (19)
nc.
/HIN1
/HIN2
/HIN3
nc.
/LIN2
/LIN1
/LIN3
/ALIN (17)
/BLIN (20)
温度数据
输出
Temp
output
Driver-IC
RRCin
COM-Rsh2 (16)
EN (23)
Rt(24)
CVCC
RTS
VSS (21)
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CIPOS™ SIL - 产品命名
I
K
C
S
22
F
60
F
A
2
Infineon
lead bending
versions A-E
K= DuoPack (IGBT/diode)
H= DuoPack (IGBT/small diode)
(optional)
e.g. 2nd Gen.
C= CIPOS w control (SOI)
A = EN, Temp, ITRIP,
, BS
B=
Temp, ITRIP,
, BS
C = EN, Temp,
,
, BS
D = EN, Temp, ITRIP, Fault, BS
F=
Temp, ITRIP, Fault, BS
S = SIL
Inom @ 25°C
(DC current )
voltage (/10)
F= three-phase bridge w. open emitter
G= three-phase bridge w. closed emitter
and shunt
R= SR-bridge w. shunt
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A
B
C
E
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目录
CIPOSTM SIL 概况
封装技术
功率器件技术
驱动IC技术
CIPOSIM 模拟软件
参考测试线路板
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英飞凌 - 封装设计理念
„ DCB － 功率器件
„ PCB － 逻辑元件, 其他特制元件
„ 安全及可靠的电路绝缘
„ 优良的散热条件
„ 高度可靠
(采用DCB及mold compound封装材料)
„ 进一步集成了单片机外围保护电路
„ 可集成更多元件
„ 可定制模块
„ 可利用不同PCB布线,灵活更改PIN脚排位
5
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灵活及高密度集成设计
ƒ 双基层方案的模块概念:
DirectCopperBonded
- DCB - 功率器件 (标准设计)
- PCB - 逻辑元件 (或其他特制元件)
Æ 灵活而高密度集成电路的策略
PrintedCurcuitBoard
ƒ 横截面图:
被动元件
纯银接线
驱动IC
导线架
IGBTs
二极管
封装材料
PCB 基板
DCB 基板连散热片
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CIPOS™ - 特点及优点
DCB
高绝缘电压
PCB
高灵活性
高密度集成电路
低热阻
Viso =
2500Vrms/1min
IKCS12F60F2A
IGBT Rthjc : 3.0K/W
二极管Rthjc : 4.2K/W
热敏电阻
自举电路
定制模块
(例如: IHCS22R60AE
针对开关磁阻电机-SRM)
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CIPOS™ - 生产流程
ƒ 驱动IC
ƒ 电阻
ƒ 电溶
ƒ IGBT
ƒ 二极管
ƒ 切开
PCB 工艺
DCB 工艺
ƒ 基板整合
ƒ 打线接合
ƒ 注模
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ƒ 电镀
ƒ 切割及定形
ƒ 测试
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CIPOSTM SIL 概况
封装技术
功率器件技术
驱动IC技术
CIPOSIM 模拟软件
参考测试线路板
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領先的IGBT技術
„ 1990: 首创非穿透型 (NPT) IGBT
其他竞争对手於1996-99才推出相关产品
„ 1995: 首创高压 IGBTs (3.3kV)
„ 1998: 首创600V的IGBTs, 利用非穿透型概念 (NPT)及100µm超薄晶片
技术
其他竞争对手於2001-02才推出相关产品
„ 2000: 首创高压 6.5kV-IGBTs
„ 2000: 首创高压 1200V-IGBT3 利用沟道栅场截止式技术 (TrenchFieldstop)
其他竞争对手於2001-03才推出相关产品
„ 2002: IGBT 及CoolMOS™ 技术获得德国科技创新奖
„ 2004: 创出600V-IGBT3 利用70µm超薄晶片技术 / Tj175°C
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IGBT 晶片技术进化
减少70%
关闭的损耗
减少30%
导通的损耗
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减少25%
换相开关的损耗
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领先的IGBT技术 - TrenchStop
„ 世界首创混合场截止结构 (FieldStop layer)和抗雪崩的通道闸技术
(Trench gate) “TrenchStop”
† 超薄晶片技术 (~70um) 以减低 Eoff 及Vce(sat)
† 场截止结构层 (FieldStop layer)以减低 Eoff及Vce(sat)
† 抗雪崩的通道闸技术 (Trench gate)可缩小晶圆尺寸
† 抗雪崩的通道闸技术 (Trench gate)以减低 Eoff and Vce(sat)
† 8吋晶圆技术
„ 特点及优点
† Vce(sat) 可集中分布
Æ 以减少量产时出现的产品参数离散性高的问题
† 降低电流拖尾
Æ 减低 Eoff 及提供更高的开关频率
† 降低所引发的短路电流(Isc = 4至5倍的正常工作电流Ic)
Æ更可靠的性能及更容易作短路保护
† 175oC 结温 (Junction temperature)
Æ 可容许更高的工作电流或减少散热片尺寸
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领先的二极管技术 - Emitter controlled diode
„ Emitter controlled diode 优化了英飞凌的 IGBTs
† 超薄晶片技术 (70um)
† 低反向电流(reverse current)及快/软开关特性
Conventional Epi-diode
p
-
n
Emitter controlled technology
p
+
n -Substrate
n
-
n
240 µm
¾
¾
¾
¾
n, p [1016 cm-3]
70 µm
Epitaxial silicon wafers
Strong carrier lifetime killing
High peak reverse recovery current
Strong negative temperature coefficient of VF
p+
8
7
6
5
4
3
2
1
0
n-
¾
¾
¾
n+
Ultra-thin wafer and field-stop technology
for smaller switching losses (No epi)
Adjusted front- and backside emitters
for improved switching
Fast & soft switching
p+
|E|
High / Low carrier lifetime
QS
+
n
p–
nE(x) at
UR=UDC
n=p
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n+
n–
n+
n=p
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EmCon™ diode - 动态性能
IF [A]
UF [V]
Low reverse recovery current,
low reverse recovery charge
10
(TJ = 150°C, DC link 300V)
0
Soft recovery
-10
450
-20
300
Infineon
Competitor 1
Competitor 2
150
0
Fast rise of blocking voltage, but
dV/dt limited (Better EMC!)
-150
0
0.05
0.1
0.15
0.2
0.25
0.3
0.35
0.4
0.45 t [µs]
英飞凌
™ diode
英飞凌 -- EmCon
EmCon™
diode 提供更低的
提供更低的 Qrr
Qrr
Æ
, 软开关的性能
Æ 减少开关换相的损耗
减少开关换相的损耗,
软开关的性能 Æ
Æ 减低
减低 EMI
EMI
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CIPOSTM SIL 概况
封装技术
功率器件技术
驱动IC技术
CIPOSIM 模拟软件
参考测试线路板
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SOI 先进技术
„ SOI - Silicon-On-Insulator 绝缘层上覆矽
„ 嵌入式氧化矽 (silicon oxide)提供了活动层 (active layer)及矽基层 (silicon
substrate)的绝缘屏障
„ 活动层内更佳的横向绝缘物 (no CMOS-well)
„ 无附带漏电流 (no parasitic leakage current)
„ 高dv/dt开关及高工作温度情况下无闩锁效应 (no latch-up effect)
„ 低功耗 (Lower power consumption)
„ 更可靠对抗反/负电压 (在静态及脉冲情况下)
„ 可内置自举二极管 (bootstrap diodes)
„ 对放射性辐射有高对抗性
Gate
Gate
Source
Drain
Source
Drain
Oxide Insulator
Conventional MOS
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SOI-MOS
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6ED003L06-F - CIPOSTM的驱动IC
„ 专门为 CIPOSTM 设计SOI 驱动IC, 特别应用在三相逆变
„ 有现成的独立产品
„ 特点
TM 的
S
!!
O
点
P
I
† 输出联锁功能 (Output interlocking function)
C
的优
C
I
† 可插入性最低dead-time输出
驱动
粒
单
† 保护时可关闭全部6粒IGBTs
† 低静态电流 (Low quiescent current) / 可启动自举电路供
† 低电压锁定 (Undervoltage lock-out) / 过电流保护 (OCP)
† 故障讯号回馈 (Fault feedback)
† 启动/关闭功能 (Enable/Shutdown function)
† 可控制”自动重置“ (Configurable auto-reset)
† 负逻辑介面 (Negative logic interface)
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驱动IC
负瞬态 vs 瞬态迟滞 (Transient Negative Vs Insensitivity)
„ 瞬态迟滞 : -50V@500nsec
UZW
VG
当上桥臂IGBT关闭, 输出电压 (Vs)
将出现负瞬态情况 (negative transiently)
OUT
Motor
Lp
Cp
-50V
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驱动IC
负静态 vs 静态迟滞 (Static Negative Vs Insensitivity)
„ 静态迟滞 : -11V
† 当 Vs 是负数值而低过相当水平时,输出(Ho)将会不作出反应
† ‘Set’水平 = -11V
† ‘Reset’水平 = -10.7V
No
response
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CIPOSTM SIL 概况
封装技术
功率器件技术
驱动IC技术
CIPOSIM 模拟软件
参考测试线路板
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CIPOSIM 模拟软件
„ CIPOSIM(CIPOSTM SIMulator) 是专门用作计算CIPOSTM
损耗及温度的模拟软件
„ 目的
† 在特定的应用条件下评估损耗情况
† 估算其结温 (Junction temperature)及可容许最高电流 (max.
current capability)
† 从而选出最合适的CIPOSTM 产品
„ 独立的视窗软体 (Windows application)
„ 可制成文件用作打印, 存档, 复制
„ 可简单将两款型号作比较
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CIPOSIM
‘Conditions’ 应用条件选项
„ 选择产品型号 (Device)
„ 选择应用条件 (Operating conditions)
† PWM, DC link voltage, Bias voltage, Switching frequency,
Power factor, Modulation Index, Case temperature, Output
frequency
„ 再选 ‘Set Conditions…’ 按键
M支
I
S 3种
O
P
1
CI 总共 方法!
援 M
PW
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CIPOSIM
‘Loss’ 损耗选项
„ 显示不同的损耗资料
† 单一IGBT损耗 (Single IGBT loss), 单一二极管损耗 (Single diode
loss), 逆变系统损耗 (Inverter loss)
† 损耗分布 (Loss distribution)
† 逆变系统效率 (Efficiency) 及 输出功率 (Output power)
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CIPOSIM
‘Temperature’ 温度选项
„ 显示结温 (Junction
temperature)
„ 显示可容许的外壳温度 (Allowable
case temperature)
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CIPOSIM
‘Maximum Current’ 最大电流选项
„ 显示最大可容许电流 (在不同的测验条件下: Switching frequency,
output frequency, case temperature, power factor)
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CIPOSIM
‘Data’ 数据选项
„ 显示所有数据资料 (表列式)
„ 数据资料可储存为文字档 (Text file)
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CIPOSIM
比较更加简单方便
„ 选择出特定比较型号 (Reference device)
„ 可同时显示两种型号的模拟结果
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CIPOSTM SIL 概况
封装技术
功率器件技术
驱动IC技术
CIPOSIM 模拟软件
参考测试线路板
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参考测试板
„ 目的
† 在不需要做新的PCB情况下,在现有的版本上立即可测试CIPOSTM 模块
„ 如何使用?
† 拿走现有板上的IPM及相关的外围电路元件
† 用跳线把PCB接到CIPOS参考测试板上
† 启动系统及测试
„ 总共可提供 6款不同的参考测试板
† 1-shunt (1组取样电阻) IKCS12F60AA
† 1-shunt (1组取样电阻) IKCS12F60DA
† 1-shunt (1组取样电阻) IKCSxxF60B2A
† 1-shunt (1组取样电阻) IKCSxxF60B2C
† 1-shunt (1组取样电阻) IKCSxxF60F2A
† 1-shunt (1组取样电阻) IKCSxxF60F2C
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线路图 (1-shunt, B2x例子)
自举电容
Bootstrap
capacitors
输入端滤波
Input filters
温度感测
Temp. sensing
故障输出线路
Fault output
generation
缓冲电容
Snubber
capacitor
过流保护
Overcurrent
Protection
取样电阻
1-shunt
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测试板照片 (1-shunt, B2A例子)
B2A - CIPOS
自举电容
Bootstrap capacitors
缓冲电容
Snubber capacitor
取样电阻
Shunt resistor
电源输出 (U,V,W)
Power terminal
(U,V,W output)
控制讯号接口
Signal connector
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测试板照片 (1-shunt, B2C 例子)
控制讯号接口
Signal connector
取样电阻
Shunt resistor
缓冲电容
Snubber capacitor
自举电容
Bootstrap capacitors
B2C CIPOS模块
(装置在背面)
电源输出 (U,V,W)
Power terminal
(U,V,W output)
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Page 39
测试板照片 (1-shunt, B2C 例子)
B2C CIPOS 模块
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