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ABB HiPak 模块从一只到一百万只的发展历程

admin
2020-06-17
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标签:IGBT

ABB的历史可追溯瑞士公司和瑞典的两个公司。在瑞士, Charles E. Brown和Walter Boveri成立了公司BBC(BBC Brown Boveri),他们的愿景是电力是创造更美好未来的关键因素。

作者:ABB瑞士半导体

这一愿景促使另一家瑞典电气公司ASEA于1954年修建了世界上第一条永久性和商业性的HVDC(高压直流)线路,将瑞典的哥特兰岛与大陆连接起来。BBC也取得了突破性的创新,例如建于1899年的第一台标准轨距电力机车,在欧洲第一条标准轨距电气化线路上运行。

随着技术的发展,很明显,电气系统中的关键使能器件之一是电流开关。ASEA和BBC都开始生产半导体,20世纪50年代中期BBC推出了他们的第一个锗整流二极管。随之,人们认识到硅的潜力, BBC和ASEA开发了开创性的工业电力半导体业务。

1988年, ASEA和BBC合并成立ABB,其半导体业务在瑞士伦茨堡。ABB为了满足其拥有的多个活跃于电力电子领域的业务部门的需要,专注于制造用于大功率应用的二极管和晶闸管。ABB于1991年开启了下一个里程碑,决定开始批量生产门极可关断晶闸管(GTO),这是它的第一个可关断大功率器件。GTO被用于工业应用,很快成为牵引应用中逆变器的主力。

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图1:ABB瑞士半导体总部建筑图片

1996年ABB推出了一种新的可关断器件,集成门极换流晶闸管(IGCT)。基于GTO平台的IGCT在开关能力方面有了很大的提高,成为大功率和中压工业应用中的首选器件。紧接着引入了大功率半导体绝缘栅双极晶体管(IGBT)。从1998年开始,ABB首先在自己的HVDC输电系统中实施了这些技术。为了使igbt在牵引变流器和工业驱动市场中的使用更加容易,ABB开发并开始制造HiPak器件,带有绝缘基板的高标准化模块。

从一只到一百万只:制造业的稳步增长

从实验室式的HiPaks制造到完全自动化的高端组装,经历了怎样的历程?HiPak是一种高度复杂的产品,并联36个大功率IGBT和二极管,因此,如果这种器件要想成功地进行大规模生产,那么它必须从一开始就为大批量生产而设计。如果要优化性能、可靠性和生产时间,则需要随着产量的增加进一步优化批量生产。

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图2:最初50个HiPak模块离开组装线

虽然在局外人看来,它可能并不引人注目,但当最初的50个生产级模块离开工厂时,它仍然是一个值得骄傲的时刻(图2)。生产从“启动模式”开始,使用的是挤进有限洁净室空间的旧设备。第一部分的质量和第一百万部分的一样重要,因此从一开始就分配了大量资源用于测试、数据记录和分析。不是使用高度复杂的软件,而是使用定制程序和标准软件。对操作人员的教育和认证是在工作中完成的,处理是手工完成的,详细情况记录在纸质票据上。随着时间的推移,需求量的增加,所有这些都必须改变。

生产设备逐渐改进,以提高生产能力、自动化程度和效率。装配线上增加了具有更复杂控制和数据记录的设备,存储并处理所产生的数据,以便更好、更快地控制生产,并更快地对产品问题和不合格作出反应。工作已从单班制转向全天候四班制,以确保从生产线的投资中获得最佳回报。

设备继续得到优化,以处理尽可能多的工件,并在几个小时内独立于人工操作。最终,有限的洁净室空间变得不足,必须建造一座新建筑物。在不中断生产和交付的情况下,将一条完整的装配线从一座建筑迁移到另一座建筑,是一项巨大的挑战,已被克服。同时还介绍了一个制造执行系统,使纸张变得多余,但同时也使其支持的全天候工作必不可少。

芯片和封装的几百种变化,每年都要经过管理才能达到目前的状况,产品基本上还是一样的——一种开关数百千瓦的IGBT——但产品制造的环境与早期的生产环境相差很大。现在,自主导航车辆(AGV)将模块从一个完全自动化的生产过程运输到下一个生产过程(图3)

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图3:自主导航车辆AVGs和机器人在IGBT生产线试验区携手工作

今天,大量的数据在几秒钟内被记录和分析,以确保生产的HiPaks器件的质量。未来的发展可能包括人工智能,分析这些数据,并采取适当的干预措施,以加强生产过程或纠正问题。没有任何人与人之间的互动,这在夜班和周末轮班时尤其重要,因为只需少数几个操作工。

尽管HiPak从外部看变化不大,但在过去的16年里,它的技术已经改变了好几次。

技术(从二极管和晶闸管到IGBT STP软穿通技术和IGBT Trench沟槽栅技术/BIGT)

IGBT的设计从“ 非穿通技术”发展到“软穿通技术(SPT)”,后者在背面使用了一个缓冲层,允许电场呈方形,使芯片更薄,并显著降低了损耗。随后ABB通过IGBT芯片正面的等离子浓度的提高开发了增强型软穿通(SPT)技术,并在2018年推出了其第一个沟槽栅芯片技术的器件,进一步将功率密度增加了20%。这些发展意味着一个3.3kV HiPak2 (140 X 190毫米),从最初额定电流1200A的等级,增加到1500A,然后增加到1800A。

作为IGBT的配套组件,其续流二极管必须跟上步伐。它最初是一个使用轴向寿命控制技术的CAL二极管,后来被场屏蔽阳极FSA技术取代,并在最新的模块中,它被一个场电荷提取FCE二极管取代。同时通过不断改进端子连接使得工作温度高达150-175°C。

在生产了近100万个HiPaks模块之后,ABB是第一家公司推出并提升大功率IGBT模块新标准——LinPak。LinPak模块集成了15年来HiPaks的所有经验,具有最低的杂散电感、更高的功率密度、集成的温度传感器和其他几个最先进的特性。这个新标准更易于模块并联,非常适合广泛的应用,从牵引转换器和工业驱动(低电压和中压)到SVC系统和风力发电场。

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图4:通过不同的技术提高IGBT模块的功率密度(从NPT非穿通型技术到Trench沟槽栅技术和BIGT)和模块封装(从HiPak到LinPak)

HiPak和LinPak将共存多年,展示半导体技术10多年来的发展和ABB在电力电子领域的重要地位。

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