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菱角碎碎念——关于DIPIPM™的那些事儿,你是否有很多问号?

发布日期:2020-06-15 浏览次数:1412 来源:三菱电机半导体
 
 闷热6月,家中的变频空调终于要开始“营业”啦。很应景的,本期小菱角要讲的产品故事,就是围绕变频空调的核心部件——DIPIPMTM展开。不过为了追求专业度,我还特别邀请了三位DIPIPMTM设计应用领域专家来助攻,快和我一起回顾吧~




历史篇:DIPIPM
TM与三菱电机半导体

 


小菱角:其实关于三菱电机和三菱的关系,很多读者还不太清楚。可以先给大家介绍一下两者关系吗?

商总:从公司运营层面讲,三菱公司这一提法不准确,因为三菱作为一家公司已经在二战后解体,冠名三菱的各个公司间都是独立运营的,如三菱电机三菱银行三菱汽车等等都是独立运营的公司,相互间没有隶属关系。作为补充的话,三菱电机半导体三菱电机自动化三菱电机电梯、三菱电机空调等等都属于同一公司——三菱电机。

小菱角:半导体产品虽不显眼但应用却非常广泛。比如本期主打——DIPIPMTM,就可以作为变频空调的核心半导体部件。那么在炎炎夏日为大家带来清凉的她,该如何定义呢?

商总:DIPIPMTM是一类双列直插智能功率模块的简称。前三个字母“DIP”是Dual-In-Line Package的缩写,描述的是这种产品的封装特性;后三个字母“IPM”是Intelligent Power Module的缩写,中文的意思是智能功率模块。总体上DIPIPMTM首先是一种功率模块,由于内置驱动保护因此叫做智能功率模块。又因为她采用了双列直插的封装型式,因此被称作DIPIPMTM

 



小菱角: DIPIPMTM这个概念是三菱电机最先提出来的吗?当时的开发背景可以简单介绍一下吗?

商总:是这样的!三菱电机是世界上最早提出DIPIPMTM概念的厂商,也是DIPIPMTM商标的拥有者。早在1996年,三菱电机福冈工厂的设计人员就开发出了DIPIPMTM这个产品,并在1997年进行了批量生产。说到开发背景,当时变频空调在日本处于普及阶段,市场需求迅速扩大,而应用于变频空调控制器的分立方案太过复杂;传统IPM方案成本太高,为了解决这个问题,三菱电机福冈工厂首先设计出了DIPIPMTM


三菱电机福冈制作所

小菱角:  据您了解,当时DIPIPMTM开发过程中的最难点是什么?又是如何解决的?与传统IPM相比DIPIPMTM又有哪些特殊的地方呢?

商总:俗话说万事开头难,据我了解,当时DIPIPMTM这个概念刚提出来时候,不是每个人都认可这个方案的,在不被认可的时候,能够坚持进行创新开发,我认为这种勇于创新的精神是最难能可贵的,当然开发过程中碰到了很多技术难点,比如如何将弱电控制的HVIC/LVIC和高速大电流开关的IGBT/二极管置于容积很小的同一封装下而不相互干扰;如何解决IGBT无负压驱动问题;如何平衡IGBT开关速度和损耗问题;如何解决压注模封装的工艺问题等等,开发人员都经过了大量的实验,付出了艰苦努力,最终在1997年成功将DIPIPMTM投入批量生产。与传统的IPM相比,主要有如下特点:
※ DIPIPMTM内置了IGBT和续流二极管以及用于IGBT驱动和保护的控制LVIC(下臂)和HVIC(上臂)。
※ 它由1路15V控制电源供电,此15V电源直接提供给下臂的LVIC用,而上臂的HVIC由通过自举电路产生的悬浮15V电源来供电。

 

 

※ DIPIPMTM封装通常采用压注模封装工艺,产品体积小,生产效率高,成本也比传统IPM更低。

 



小菱角:DIPIPMTM在日本刚推出来时,当时的市场反响如何?

商总:由于DIPIPMTM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DIPIPMTM方案。

小菱角: 三菱电机开发人员首先开发了DIPIPMTM产品,占得市场先机,完成了从0到1的过程。那么,三菱电机DIPIPMTM何时进入中国市场,初期又是如何进行市场开拓的呢?

何老师:中国的变频空调市场从1996~1997年开始启动,期初采用的是三菱电机的IPM产品,大约在2001年三菱电机开始向中国变频空调厂家推广DIPIPMTM并很快被认可。正如你提到的一样,三菱电机由于最先开发出了DIPIPMTM产品,确实占据了一定的市场先机,但并不意味着三菱电机可以“躺赢”,从0到1的过程固然是最重要的,从1到100也需要付出艰苦的努力才行,因为从1到100的道路并不孤单,你的竞争对手会越来越多,特别是在中国市场。

 

 

关于市场开拓策略,得益于在日本市场的良好表现,三菱电机DIPIPMTM在国内也得到了客户的广泛认可,当然当时国内的变频空调技术首先是从日本引进的,三菱电机功率模块也跟随日本的变频技术来到了中国市场,并随着中国空调市场的发展而得到发展,就初期的中国市场策略而言,相对简单,基本上是跟随日本的市场策略


小菱角:  何老师您的意思是中国市场初期是跟随日本的市场策略,那么后来呢?中国市场对于DIPIPMTM的需求是否走出了独立于日本市场的行情呢?

何老师:小菱角,你的问题还是切入到了关键点!确实随着中国空调市场的迅速发展,中国市场也走出了不同于日本市场的独立行情。特别是2008年后,随着中国市场变频空调开始普及,中国市场对DIPIPMTM模块需求总量也超越了日本市场,如果仅仅跟随日本市场策略,显然是不太现实的。

小菱角:市场过渡到了快速成长阶段,那在这个阶段,三菱电机在中国市场是否有什么针对性的策略呢?
何老师:是的,大约经过10年的培育期后,得益于中国变频空调的普及,中国市场对DIPIPMTM模块的需求迅速增长,三菱电机也适时对产品进行了系列升级,从第3代大型和小型DIPIPMTM到第4代超小型产品,再到第5代/第6代超小型产品以及最新的SLIMDIP产品。在产品设计上充分考虑了中国客户的需求,比如增加了温度输出功能、内置自举二级管以及提高短路保护电流的精度等等。超小型DIPIPMTM产品采用了一次压注模工艺和绝缘导热垫片结构,大大提高了生产效率,降低了生产成本, 得到了中国客户的认可,市场份额得到了提升,可以说超小型DIPIPMTM产品为三菱电机在中国市场的表现做出了杰出贡献,在产品设计上是非常经典的一类DIPIPMTM模块,至今这个封装的产品依旧活跃在市场上

 


小菱角:  关于DIPIPMTM和三菱电机的历史,我们有了大体的了解,简单总结一下三菱电机之所以能够在市场取得成功,一个是因为技术领先,是DIPIPMTM产品的初创者,另一个是能够根据迅速增长的市场需求开发出满足市场要求的产品。各位还有补充的吗?

商总:之所以三菱电机DIPIPMTM能够在过去的一段时间里获得市场认可,首先是有好的产品(高性能和高品质),其次是广大中国客户对三菱电机产品品质的信赖,再次是有一个正确的市场策略,同时也是市场销售人员和技术支持人员共同努力的结果。
 
现实篇:产品性能及应用

了解了三菱电机DIPIPMTM的历史,可谓系出名门,占据了先发优势,并在很长时间内在市场处于领先地位,那么现在的情况又怎样呢?毕竟时间指针已经到了2020,距离DIPIPMTM诞生也过去了整整24年。

小菱角: 何老师,您能简单说一下三菱电机DIPIPMTM目前的应用情况吗?


 

何老师:好的,时间过得真的快,从最早在中国市场推广DIPIPMTM,到现在时间指针已经指向了2020。确实当下的情况与20年前相比,发生了令人无法想象的变化。记得刚开始在中国推广DIPIPMTM的时候,空调器在中国还是一个“奢侈品”,在2000年左右的时候,中等价位的空调售价在4000~5000元,而当时的工资呢,普通工薪阶层的月工资大约在1500~2000元左右,大约2个月的工资可以买一台空调,而现在呢,目前市场中等价位的空调大约在2500元左右,按照工薪阶层的工资4000~5000元计算,每个月的工资大约能买1.5~2台空调。从这个意义上讲,三菱电机DIPIPMTM的当前市场环境发生了巨大变化。首先竞争对手变得非常多,其次客户对性价比的要求更高,另外市场波动也较20年前明显增加,特别是今年,各种因素叠加的影响,为DIPIPMTM的市场需求增加了太多的不确定性,对三菱电机来说也是巨大挑战。总的说来目前三菱电机的市场表现还不错,特别是在变频家电领域,三菱电机每年都有数千万颗DIPIPMTM产品被应用到变频空调、变频洗衣机等变频家电中,目前累计出货量已超8亿颗

小菱角: 何老师,在市场充满不确定的前提下,三菱电机有什么应对措施吗,还是消极等待?

何老师:市场不确定带来的巨大挑战,对各个市场参与者来说都是平等的,对于三菱电机,认真做好自己的产品开发,我想是首先应该做到的。毕竟作为技术型企业,生产出好产品是三菱电机的立身之本。目前三菱电机正在抓紧完善SLIMDIP的产品系列,以满足广大客户对产品性能和进一步小型化的更高要求。有了好的产品再加上有针对性的市场策略,三菱电机DIPIPMTM产品还是会有很好的市场表现的。

小菱角:谈到好的产品,三菱电机最近推出的SLIMDIP系列产品受到了客户的关注,能简单谈一下SLIMDIP产品的主要特点吗?

小岭哥:SLIMDIP系列产品是三菱电机继超小型封装后推出的具有划时代意义的新一代产品。其封装比超小型封装的尺寸减小约30%,其内置芯片采用了RC-IGBT芯片。RC-IGBT芯片是一种逆导型芯片,所谓逆导型,指的是IGBT芯片的电流可以从正反双向流动,而承载反向电流的续流二极管通过半导体工艺与IGBT集成在了一个芯片上。这样的话在SLIMDIP模块内部不需要再单独封装起续流作用的二极管芯片,模块内部功率芯片的数量也从传统产品的12个变成了6个。功率芯片数量的减少,不仅减小了整体模块的尺寸,也使模块生产的效率得到了提升,降低了成本。

 



小菱角:  SLIMDIP主要适合哪些应用呢?

 

小岭哥:SLIMDIP系列产品主要的应用领域是家电应用,如变频空调变频空调风机变频洗衣机洗碗机、抽油烟机等等。家电行业对DIPIPMTM成本要求较高并且数量需求巨大,对工厂生产的效率有较高要求,在某种意义上对家电行业来说,生产效率也是很重要的竞争力。



小菱角:SLIMDIP主要面向家用领域,那对于工业应用领域,三菱电机能否提供相应的DIPIPMTM解决方案呢?

何老师:作为在DIPIPMTM领域的领先供应商,三菱电机具有该领域丰富的产品线。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等。由于三菱电机在设计之初就充分考虑产品应用的兼容性,使得产品应用领域不局限在某一领域,比如三菱电机的大型DIPIPMTM、小型DIPIPMTM不仅在家电领域同样在工业领域也得到了广泛应用,获得了不同应用领域客户的认可。另外针对特殊领域,例如目前比较火的电动汽车领域,三菱电机大型DIPIPMTM产品正在做相关的AEC-Q认证,以满足电动汽车领域客户的更高要求。最近三菱电机又推出了结温高达175℃的第7代超小型DIPIPMTM和小型DIPIPMTM产品,就特别适合对电流过载倍数要求高的工业领域



小菱角: SiC 产品目前在市场非常流行,三菱电机是否有SiC的DIPIPMTM呢?

何老师:作为一种新型半导体材料,SiC也同样受到了三菱电机的关注,很早就开始了SiC产品的相关研究和开发。对于DIPIPMTM来说,三菱电机也已推出了相关的产品,比如PSF15S92F6/ PSF25S92F6就是15A/25A的全SiC MOSFET DIPIPMTM,该产品已经成功应用到了日本高能效变频空调当中


 


小菱角:有了好的产品,怎样进行设计和使用?如何解决生产和市场中的问题?各位是否能给我们的用户分享一下经验。

商总:作为曾经的DIPIPMTM设计者,我认为好的产品不管是DIPIPMTM产品,还是变频控制器产品,首先是设计出来的,设计的好坏直接决定最终产品的市场表现,因此好产品设计是基础。
何老师:对于好的产品,设计是基础。对于每一种应用都需要根据其需求进行具体问题具体分析,如同一种DIPIPMTM产品,若应用到变频空调上,其设计可能相对简单一些,但目前可能要做过温降频的设计;若应用到工业领域,其要求的DIPIPMTM电流过载倍数通常比家电应用的过载倍数要大,设计上就有做相关的考虑与处理;又比如如果应用到电动汽车空调上,对DIPIPMTM模块的电磁兼容性能、耐振动冲击的要求又远远大于在变频家电的应用,也需要做相应的处理。
小岭哥:对于生产和市场中常见的DIPIPMTM不良问题,个人认为首先需要建立良好的质量保证体系,基于这个质量保证体系对相关产品不良进行管理,没有体系就没有好的产品质量,有了体系才能对质量水平进行长期的管控。头疼医头脚疼医脚的方式很难对质量问题进行彻底改进。质量管控首先应该从源头进行管控,比如对DIPIPMTM来说,首先对设计端的质量进行把关,再次对产品生产过程进行控制,最后对市场不良的进行统计改进。对于市场不良,通常对于短期失效的管控要优先于中长期的失效管控,总之需要从源头进行控制。


未来篇:三菱电机DIPIPMTM展望

小菱角:除了选用SiC等材料,未来三菱电机DIPIPMTM的发展还将侧重哪些方面?

商总:回望三菱电机DIPIPMTM的发展历程,高能效集成化智能化为客户提供高性价比的产品是三菱电机一直以来的追求。未来三菱电机也将沿着这条主线进行相关产品的开发推广,比如三菱电机的DIPIPM+产品就是目前该领域集成度最高的产品,内置了变频驱动所需的所有单元,包括整流逆变刹车等功率单元和驱动单元;SiC DIPIPMTM可以大大提高逆变器的效率三菱电机贴片封装的SOPIPM模块,就内置了互锁和自举电容等功能,集成度、智能程度进一步提高。

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