富士电机-推出第7代X系列IGBT模块

在全球“双碳”政策与能源成本上涨的双重压力下，提高功率变换效率、减小体积重量、延长寿命成为功率半导体最迫切的三大诉求。富士电机自1988年发布第一代IGBT以来，保持每五年一次重大迭代。2021年推出的第7代“X系列”首次将连续结温Tvjop从行业普遍的150 °C提升到175 °C，同时在同封装内把电流密度提高约60%，为新一代数据中心电源、储能PCS、电动汽车充电桩及伺服驱动提供了“高功率密度、高温运行、高可靠性”的旗舰平台。

X系列IGBT技术路线

“芯片损耗↓ + 热阻↓ + 耐温↑ + 集成度↑”四条主线：

芯片层面：薄片+精细沟槽+优化场截止(FS)层，实现导通与开关损耗同步下降；

封装层面：高导热氮化铝(AlN)基板、高耐热硅凝胶、高强度焊料及铝线直径/长度协同优化，保证175 °C长期可靠；

系统层面：通过“损耗降低”与“散热增强”双轮驱动，把单封装电流能力推升50%，并维持体积不变或更小；

产品层面：推出标准IGBT/FWD分立芯片与RC-IGBT单片集成两条并行家族，覆盖50 A–2400 A、650 V–1200 V全功率段。

芯片技术创新

厚度减薄约15%，导通压降Vce(sat)下降0.25V（150 °C，100A条件下），换算到20kHz逆变工况，导通损耗降低8%–10%。薄片带来关断尾巴电流缩短，Eoff较6代V系列下降10%，且dv/dt可控，EMI余量>3 dBμV。沟槽节距缩小至亚微米级，表面载流子浓度提升，注入增强(IE)效应显著，进一步拉低Vce(sat)。新FS层在1200V等级可屏蔽薄片化带来的击穿电压下降，并抑制关断电压过冲；高温漏电流降低28%，为175 °C连续运行提供安全裕量。二极管同步采用薄片方案，正向压降VF降低0.15V；通过背面掺杂梯度优化，实现软恢复，反向恢复能量Err下降30%，di/dt下降约20%，显著降低对驱动板与共模滤波器的要求。

封装技术突破

X系列的高导热AlN绝缘基板热导率≈170W/(m·K)，为Al2O3的4–5倍；厚度从0.63mm降至0.38mm，热阻Rth(j-c)下降45%，芯片温升同步下降9–12 °C。通过调节烧结助剂，保持击穿电压>6kV（AC 1min），满足加强绝缘需求。X系列采用175 °C级高耐热硅凝胶，其在传统聚二甲基硅氧烷中引入苯基/乙烯基共聚链段，玻璃化温度Tg提升至220 °C；经215 °C、2000h高温存储无裂纹，绝缘强度保持>25kV/mm，寿命是常规胶的5倍。焊料方面采用Sn-Sb-Ag系高熔点焊料，液相线>250 °C，抗蠕变强度提升60%；铝线直径由300μm加粗至380μm，并采用“短拱+低环”焊线轨迹，降低ΔTvj=50 °C工况下的线脚应力，功率循环寿命达>60k cycles，是V系列的2倍。

RC-IGBT：单片集成再进阶

富士在X系列平台同步推出RC-IGBT，把IGBT与FWD做进同一芯片，实现了芯片面积共享，有效导电区增加15%，热阻Rth(j-c)再降约20%。单片内交替发热，减小热波动，低频（<5Hz）电机驱动工况下ΔTvj由41°C降至21°C，功率循环寿命提升>2.5倍。封装尺寸大幅压缩：1200V/1000A等级首次在DualXT（150mm×62mm）内实现，比传统PrimePACK™2面积节省39%，满足紧凑型储能变流器与重卡电驱需求。

应用设计要点

最大结温与寿命平衡

Tvjop≤175 °C，但随温度升高，功率循环寿命呈指数下降。推荐：

长期运行点≤165 °C，留10°C裕量；

采用NTC或外部温度传感器，实现75%负载以上主动降额。

过压抑制与RBSOA

快速关断时峰值VCEP需<RBSOA边界；建议主回路杂散电感Ls<50 nH，优先使用层叠母排+吸收薄膜电容；

栅极电阻RG并非越大越好，X系列载流子注入效率高，RG过大反而拖长关断尾巴，导致VCEP升高；需按图2-7曲线在25 °C、150 °C双温度点校核。

并联均流

X系列Vce(sat)温度系数为正，利于自均衡；模块间ΔVce(sat)应≤0.3 V，对应电流不平衡<10%；

栅极驱动线、发射极反馈线保持对称布局，使用同一PWM信号源，避免门极振荡。

机械安装与散热

扭矩按MS=1.3N·m（M5）或1.8N·m（M6）执行，采用含65μm厚TIM的相变垫片，可把接触热阻再降10%–15%；

基板铜层表面镀Ni-P，盐雾试验>96h，适合高湿、沿海储能集装箱场景。

产品族谱与路线图

X系列已形成“标准IGBT+PIM+IPM”与“RC-IGBT+PIM+六合一”两大子家族，覆盖650V/50A–2400A、1200V/50A–2400A。2024–2025年富士发布1700V等级及SiN基板版本，单封装电流密度有望再提升20%，并集成温度/电流传感器，向“智能功率模块”演进。

富士第7代X系列IGBT模块通过“薄片沟槽芯片+高导热AlN封装+175 °C高温保障”三位一体创新，成功把单封装电流能力、耐温等级与功率循环寿命同步提升一个台阶，为工业4.0、数据中心UPS、储能PCS及电动汽车快充等高效高功率密度应用提供了立即可用的升级路径。RC-IGBT的推出更进一步打破“芯片-封装-系统”边界，使功率变换在相同散热条件下“更大功率、更小体积、更高可靠”成为可能。随着1700V、SiN基板及智能传感版本的陆续落地，X系列平台有望在未来五年内继续引领行业向“高温、高密、高智”方向发展，并助力全球碳中和目标早日实现。