隨著汽車市場向主流采用加速，電力電子技術已成為創新的基石，推動了卓越的性能和效率。在這一技術演變的前沿，碳化硅(SiC)功率模塊作為一項關鍵進展，重新定義了電動動力系統的能力。

電動汽車的日益普及依賴于延長車輛續航里程和降低電池成本。這可以通過減少能量損失和提升逆變器中功率模塊的緊湊性來實現。由于SiC功率器件能夠實現比傳統硅基器件更低的能量損失，因此它們引起了廣泛關注，成為功率模塊中減少損耗的關鍵技術。

從硅IGBT到SiC技術

自1997年以來，三菱電機已為超過3350萬輛電動車提供動力，并繼續推出其J3系列新一代汽車功率模塊，該模塊采用先進的溝槽技術、改進的熱管理和集成多功能芯片，以應對電動車動力系統設計和性能的挑戰。

作為汽車功率模塊創新的先驅，三菱電機在1997年采用了第四代IGBT技術，開始定制基于外殼型設計的模塊。到2001年，三菱電機率先推出了第一款轉模功率模塊(T-PM)封裝，樹立了緊湊和可靠功率模塊的新標準。

多年來，三菱電機推出了多個突破性的T-PM產品，包括2009年推出的直接引線鍵合(DLB)技術，消除了線鍵合的限制，提供了緊湊且高度可靠的解決方案。2015年推出的J1系列6合1產品，集成了冷卻鰭片以提高緊湊性和高功率密度。迄今為止，已出貨超過450萬個J1A模塊，現場故障報告為零。圖1展示了T-PM(二代)和J1A硅IGBT模塊的兩種設計概念。

三菱電機在1990年代開始開發SiC功率器件，包括用于鐵路、工業設備、消費電子和汽車系統的具有平面MOSFET的SiC功率模塊。最近的進展集中在利用溝槽柵SiC MOSFET的SiC功率模塊上，這種設計在功率損耗和輸出性能方面優于傳統的平面柵設計。目前，公司正在推進其J3系列汽車功率模塊的開發，該模塊集成了高效的溝槽SiC半導體器件與緊湊、高可靠性的轉模封裝(T-PM)。

新開發的模塊(J3系列)采用優化的散熱結構，顯著提高了熱性能，相較于傳統設計更為出色。圖2展示了第三代T-PM(J3系列)與上一代的結構對比。主要變化包括用高導熱絕緣材料替代傳統絕緣片，增強模塊的熱傳導能力。

在芯片鍵合方面，引入了優越的熱導率和可靠性的銀燒結技術，超越了第一代T-PM中的無鉛焊料性能。J3系列的一個顯著改進是將模塊基礎熱界面材料由潤滑脂替換為焊料。這一變化不僅提高了散熱效率，還通過消除彈簧和固定板的需求簡化了安裝過程，提升了安裝的便利性。該系列將包括銅(Cu)和鋁(Al)兩種冷卻器。對于鋁冷卻器，正在考慮采用新開發的針形鰭設計，其熱導率高于傳統圓柱形鰭。這些進展預計將使熱阻降低超過30%，提供卓越的性能和效率。

先進的溝槽SiC技術

盡管SiC是電動車功率模塊的動力源，但溝槽技術則優化了其性能。這一先進的工程技術重塑了電流在SiC MOSFET中的流動，顯著提升了效率和功率密度。與傳統的平面設計不同，溝槽技術精煉了電流路徑，以最小化電阻，降低能量損失，并使設備在高電壓下運行更涼爽。溝槽設計使SiC功率模塊能夠在更小的封裝中管理更多的功率，與現代電動車的緊湊系統完美契合。從實現超快速充電到提升電機效率，溝槽技術是下一代電動車系統的關鍵。

三菱電機在1990年代開始開發SiC功率器件，并在2010年推出了用于電動鐵路的第一代SiC功率MOSFET。到2013年，第二代器件開始大規模生產，具有優化的單元尺寸和改進的載流子注入機制。目前，三菱正在開發一種創新的SiC MOSFET，具有新的柵溝槽結構，并集成到J3系列SiC功率模塊中。

溝槽型SiC MOSFET相較于傳統平面設計具有顯著優勢。一個主要好處是降低導通電阻，這是由于溝槽設計創造了更大的通道面積。這種導通電阻的降低減少了導電損耗，提高了整體效率。此外，SiC材料相比于硅具有更優越的熱導率，使得溝槽型SiC MOSFET能夠在更高溫度下運行并承受更大的功率密度，這是實現高能效、高性能應用的關鍵。圖3展示了溝槽柵結構。與傳統平面柵相比，溝槽柵結構允許更小的單元格和更低損耗的操作，實現更高的集成度。

盡管有這些優點，溝槽型SiC MOSFET也面臨一些挑戰。溝槽設計的高導電性可能使短路處理變得更加困難。此外，制造溝槽型SiC MOSFET的工藝更復雜，需要精確的制造控制，這可能會增加生產成本。然而，效率的提升通常可以為額外的費用帶來合理的回報，特別是在高端汽車應用中。溝槽結構的另一個挑戰是溝槽底部的電場集中，這可能導致器件擊穿和柵絕緣的退化。

為了支持廣泛的汽車應用，整合能夠增強短路能力并保持效率的結構設計方法至關重要。三菱電機對其傳統溝槽SiC MOSFET結構進行了改進，以在降低電阻和增強短路可靠性之間取得平衡。圖4展示了開發的溝槽SiC MOSFET。

為減輕低電阻與增強短路能力之間的權衡，三菱電機引入了一種調整溝槽側壁P型柱比例(rSP)的方法。這些區域在溝槽結構中經過優化間隔，確保對器件的短路能力進行有效控制。此外，接地底部P井(BPW)提供了穩定的開關性能，并解決了溝槽底部的電場集中問題。這些進展顯著提高了溝槽SiC MOSFET的可靠性和效率，使其非常適合用于汽車動力系統。

J3系列SiC產品概述

J3系列SiC產品陣容如圖5所示，結合了先進的SiC器件技術與T-PM，提供緊湊、高可靠性的設計。這些模塊具備低損耗、更高功率密度和可靠性。在其核心，J3-T-PM模塊是一個多用途的半橋單元，采用1300V SiC MOSFET技術，適用于800V電池架構。該模塊尺寸為26.5mm x 53.9mm x 6.92mm(樹脂部分)。通過調整功率芯片的數量和并行模塊，6合1配置(J3-HEXAS和J3-HEXA-L)可以處理從50kW到300kW的輸出功率，并且通過并聯額外模塊，有潛力實現更高的功率，充分利用J3-T-PM的可擴展性。

汽車用SiC技術

三菱電機正在加大對汽車和功率半導體領域的投資，計劃在日本福岡縣建立一座新的工廠，投資額達100億日元，預計于2026年開始運營。該工廠將專注于功率半導體模塊的組裝和檢測，以滿足對高能效解決方案日益增長的需求，尤其是電動汽車，從而支持全球脫碳目標。

此次投資的重點是硅碳化物(SiC)技術。公司正在推進其J3系列汽車功率模塊，包括硅(Si)和SiC變體，以確保高性能、可擴展的解決方案，適應不斷發展的市場。