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三菱电机半导体:从创新者到领导者
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三菱电机半导体:从创新者到领导者

2021-01-18 10:06:05 来源:高工机器人

【哔哥哔特导读】最近,为覆盖不同功率范围的产品应用,三菱电机为小功率低压工业传动市场开发了第7代超小型和小型DIPIPM,但是需要说明的是,由于行业特性,功率半导体领域在技术准入、资本投入等方面设置了较高门槛,从了形成了较高的市场集中度。

与去年相比,2020年半导体功率器件市场整体景气度有所下降,细微处则是各大应用领域高低相间。大中国区三菱电机半导体应用技术总监宋高升表示,一方面,在家电领域,由于海外疫情迟迟未得到有效控制,导致变频空调出货量明显减少,传导至上游供应链则表现为变频空调压缩机驱动用智能功率模块出货随之减少;另一方面,在工业领域受口罩机市场带动,机器人伺服驱动器用功率半导体器件增加;X光机、CT机相关医疗仪器同样带动IGBT模块需求增长。

作为功率半导体器件的深耕者,三菱电机有着敏锐的市场认知及判断。事实上,只要谈及现代半导体功率器件,很少有人会绕过三菱电机半导体,其首创的DIPIPM(智能功率模块)一直引领行业发展。

24年,开创者的历程

据了解,DIPIPM 是双列直插型智能功率模块的简称,其概念由三菱电机率先提出,并成功注册商标。上世纪九十年代初,变频空调正在日本大规模普及,由于应用在变频空调控制器上的分立器件方案太复杂,而传统的IPM方案成本又居高不下。为解决这一问题,1996年三菱电机福冈工厂首先设计出了DIPIPM ,并进行了批量生产。

DIPIPM 内置了驱动和保护,因此相比较分立方案,在模块外部不再需要设计驱动保护,使得变频电路设计与调试时间大大缩短,控制PCB板的面积也比分立方案明显减小,与传统IPM方案相比,成本具有明显优势,一推向市场,就受到了变频空调客户的青睐,日本主流空调器厂商的变频方案也纷纷由分立方案或IPM方案转向了DIPIPM 方案。

发展至今,DIPIPM 走过了二十四个年头,期间不断进行升级换代,目前DIPIPM 已至第7代。在变频家电、工业等市场中,每年都有数千万颗DIPIPM 被应用;截至2020年上半年,DIPIPM 累计出货量已超8亿颗。宋高升补充道,从全球范围来看,目前超过一半的机器人伺服驱动器采用了三菱电机的DIPIPM 。

从家电到工业

DIPIPM 诞生之初主要针对变频家电(空调、冰箱、洗衣机),由于其作为功率半导体器件,是整个电子装置的电能转换与电路控制的核心。在人类所消耗的电能中,75%以上的电能应用需由功率半导体器件进行变换以后才能使用,因此DIPIPM 应用范围日益扩大,同时走向了需求更为广阔的工业制造现场。

与家电领域相比,工业领域相对来说应用环境更为恶劣,对模块的绝缘耐压和过载倍数要求更高等。而在产品设计之初,三菱电机就充分考虑到产品应用的兼容性,使得产品应用领域不局限在某一领域,这也保障了DIPIPM 能够快速从民用家电领域快速切换到工业。

最近,为覆盖不同功率范围的产品应用,三菱电机为小功率低压工业传动市场开发了第7代超小型和小型DIPIPM ,为中功率工业应用市场开发了第2代全碳化硅MOSFET模块,为高压大功率市场开发了高压全碳化硅MOSFET模块及混合碳化硅HVIGBT。

三菱电机半导体24年开创者的历程

三菱电机第7代超小型DIPIPM

尤其在机器人伺服驱动领域,随着智能制造的推进,为更好地发挥机器人性能并赋予其“智慧”,伺服驱动器产品逐渐出现驱控一体化、多轴驱动和高功率密度设计等趋势,对功率器件的产品迭代也提出了更高的要求,如可以拥有更高结温、输出更大电流和开关噪声低等。

三菱电机今年重点推荐的第7代超小型DIPIPM新品正契合了伺服驱动的演变趋势,其最大结温由之前的150℃提升至175℃,最大电流由35A扩展至40A。另外,三菱电机略微加宽了部分管脚底部的宽度,通过这一改进来有效降低PCB焊盘的温度。对比第6代产品,新产品还有一大优势是其EMI噪声降低了10dB,对实际应用环境更加友好,能够轻松胜任通用变频器、伺服驱动器等电流过载倍数要求高的工业领域。

行业马太效应凸显

由于行业特性,功率半导体领域在技术准入、资本投入等方面设置了较高门槛,从了形成了较高的市场集中度,2019年全球前五大厂商占据了半壁江山。其中,三菱电机智能功率模块市场份额第一。在基本稳定的市场竞争格局下,行业马太效应愈发显著,未来聚焦在头部厂商的资源、市场争夺战将愈发激烈。

三菱电机如何保持目前市场地位并持续向上发展?宋高升认为,先发优势、协同效应、产业闭环将成为公司取胜的关键所在。

具体来看,首先是先发优势,上世纪90年代,三菱电机就展开了碳化硅功率半导体的基础研究,三十年来积累了大量的工程经验,许多领先的碳化硅功率芯片和模块技术已先后得到了商业化认证,为下一代宽禁带功率半导体的产业化打下了坚实的基础。

其次,三菱电机本身作为一家综合性电机和电子制造集团企业,旗下设有半导体、家电、工业自动化、交通、楼宇系统、能源系统等多个事业部,能够为三菱电机半导体带来协同研发、协同论证的优势。三菱电机功率半导体在开发初期就会得到集团内其他事业部的支持,开发出来的工程样品也可以率先在这些平行事业部中得到应用及可靠性论证。

同时,在三菱电机半导体事业部内已经形成了从功率芯片生产到模块封装,再到产品测试的完善产业链,塑造了完善的产业闭环。

优势只是第一步,如何把优势发挥出来增强产品力并最终转化为市场份额,才是制胜的关键。目前,三菱电机已在变频家电、工业、新能源、电动汽车、轨道牵引及电力传输等行业实现深度渗透,并针对不同行业应用推出了相应的解决方案,全面获取客户的认可及品牌忠诚度。

据悉,变频家电行业需要封装小、集成度高和对环境友好的功率模块,三菱电机的功率半导体解决方案是双列直插型智能功率模块——DIPIPM 和表面贴装型智能功率模块——SOPIPM。

工业和新能源市场需要集成度高和方便安装的标准模块,三菱电机的功率半导体解决方案是第7代IGBT模块、第7代IPM和第2代碳化硅功率模块。

电动汽车主驱需要高功率密度、液体冷却和耐高温运行的功率模块,三菱电机的功率半导体解决方案是J1 A系列汽车专用IGBT模块。

轨道牵引和电力传输则偏好高压、大功率、高可靠性的功率模块,三菱电机的功率半导体解决方案是最新的X系列HVIGBT、第2代混合碳化硅HVIGBT和第2代碳化硅高压MOSFET模块。

结语

作为功率半导体,其技术目标是提高功率集成密度,减少功率损耗,因此功率半导体的研发重点是以提高效率、增加功能、减小体积、不断发展新的器件理论和结构为突口,促进各种新型器件的发明和应用。目前,国际上在下一代功率半导体器件领域的热点研究方向是器件新结构和器件新材料。

在机器人伺服驱动器领域,宋高升认为现在谈下一代功率器件还为时尚早。不过,基于高结温RC-IGBT的智能功率模块和基于碳化硅MOSFET的智能功率模块都是不错的技术路线。

事实上,三菱电机已经在几年前就已完成混合碳化硅和全碳化硅智能功率模块的开发,并在伺服驱动器上获得成功应用。在2020年,三菱电机已经开始采用6英寸碳化硅晶圆技术和第2代碳化硅芯片技术。与第1代碳化硅功率模块相比,第2代碳化硅功率模块不仅降低了导通电阻,还提升了开通阈值电压和短路能力,在优化设计的同时,更加方便使用。

宋高升表示,未来,在性价比允许的前提下,如果客户采用SiC MOSFET智能功率模块开发伺服驱动器,必将进一步提升伺服驱动器和伺服电机的功率密度并节省安装空间。

 

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