針對廣泛應用領域的SiC功率模塊

面向可持續未來的創新型功率器件

J. Yamada, 三菱電機功率器件制作所

E.Thal, 三菱電機歐洲公司

三菱電機SiC功率模塊的發展里程碑

如圖1所示，三菱電機的SiC功率模塊目前正處于開始于2010年前后的SiC商業化第1個階段。然而，早在20多年前，三菱電機就開始了針對SiC技術的開發 [1]。在1994年至2004年的第1個10年中，其研發工作主要針對SiC MOSFET和SiC肖特基二極管等芯片技術本身。此后，在2005年至2009年間，三菱電機將開發重點集中到了應用SiC功率模塊于逆變器中，以實現可觀的系統效益。為此，三菱電機設計并評測了多種應用場合的基于SiC功率器件的逆變器。SiC功率模塊的商業化階段開始于2010年至2014年間。在此期間，三菱電機推出了多種類型的全SiC功率模塊和混合SiC功率模塊。同時基于三菱電機SiC功率模塊的逆變器開始第1批工業化生產，并主要用于日本市場。此外，SiC MOSFET芯片技術也得到了進一步改善，1200V SiC MOSFET芯片的開發路線如圖2所示。

圖1 三菱電機SiC功率模塊產品分布（X軸：額定電流(A)；Y軸：電壓等級）

圖2 1200V SiC MOSFET芯片開發路線圖

2015年開始，SiC功率器件開始進入眾多全新應用領域。目前這種擴張過程仍在繼續著，甚至還加快了速度。如圖1所示，目前三菱電機的SiC功率模塊產品已經覆蓋了較廣的電流和電壓范圍。

本文通過在圖1中的產品中選擇三菱電機SiC功率模塊的3種代表性產品，以說明SiC技術在電力電子系統中的創新潛力：

? 15A/600V全SiC 超小型DIPIPM，型號PSF15S92F6

? 800A/1200V全SiC 2in1模塊，型號FMF800DX2-24A

? 750A/3300V全SiC 2in1模塊，型號FMF750DC-66A

15A/600V 全SiC超小型DIPIPM（PSF15S92F6）

這款15A/600V全SiC超小型DIPIPM于2016年10月推出，并應用在三菱電機全新“Kirigamine”FZ和Z系列變頻空調中，如圖3所示。PSF15S92F6主要針對空調、洗衣機、冰箱等家用電器的應用而開發[2]。如圖4所示，其內部電路由SiC MOSFET構成的三相逆變電路及驅動保護電路構成。封裝外形則如圖5所示。高能效比是變頻空調系統的一個關鍵要求，在相同應用條件下，與采用相同模塊封裝的15A/600V Si-IGBT DIPIPM相比，這款全SiC DIPIPM的功耗降低了70%，如圖6所示。采用PSF15S92F6之后，全新的“Kirigamine“系列空調器實現了優異的能效比。

圖3 基于三菱電機全SiC DIPIPM的“Kirigamine”系列空調

圖4 PSF15S92F6內部電路框圖

圖5 PSF15S92F6封裝外形

圖6 15A/600V Si-IGBT超小型DIPIPM與全SiC超小型DIPIPM功耗對比

如圖7所示，全SiC超小型DIPIPM的另一個應用優勢是在MOSFET開通時二極管反向恢復更平滑，輻射噪聲顯著降低，從而放寬了對EMI濾波器的要求。

圖7 FWDi反向恢復波形及EMI改善

800A/1200V 全SiC 2in1模塊（FMF800DX2-24A）

2015年4月，Bodo’s Power上報道了三菱電機1款800 A/1200 V的全SiC 2in1模塊（FMF800DX-24A）[3]。為了有效地驅動和保護該器件，PI公司開發了其專用的柵極驅動器[4]。三菱電機最近推出了這款800A/1200 V全SiC模塊的升級版本，具體型號為FMF800DX2-24A。與舊型號相比，其內部采用了相同的低損耗SiC MOSFET芯片組，但是封裝有所變更，如圖8所示；新封裝內部電感小于10 nH，隔離電壓達到Viso=4 kVAC。如圖9所示，其SiC MOSFET的P側和N側均采用了實時控制電路(RTC)。此電路采用MOSFET芯片中集成的電流傳感器來檢測短路，并通過快速抑制柵極電壓來高效地進行短路電流限制，具體如圖10和圖11所示。

圖8 800A/1200V全SiC 2in1模塊FMF800DX2-24A

圖9 FMF800DX2-24A內部電路框圖

圖10 短路保護柵極驅動電路推薦

圖11 RTC動作期間的短路波形

圖12給出了110kW逆變器的應用案例。相同應用條件下，對比800A/1200V全SiC MOSFET模塊FMF800DX2-24A和相對應Si-IGBT模塊的功耗，可看出SiC MOSFET模塊的優勢非常明顯[1]。

圖12 800A/1200V Si-IGBT模塊與全SiC MOSFET模塊的功耗對比

有兩種可行方式可充分發揮這種優勢：

a)若保持開關頻率相同，與Si-IGBT模塊相比，采用SiC MOSFET模塊逆變器的功耗大幅降低，且逆變器的效率得到提高，因此，這為通過減小散熱片尺寸來縮小逆變器體積提供了新的自由度，也對于高功率密度要求的應用領域具有極大吸引力，特別是逆變器安裝空間有限時的場合。

b）若保持逆變器的功耗同一水平，即逆變器效率和散熱器尺寸保持不變，由于SiC MOSFET模塊開關頻率相對Si-IGBT模塊可以提高3~5倍，因此，在配有大電感器等元件的應用中，這就為減小電感器尺寸（成本）提供了新的空間。

當然，在特定應用中使用FMF800DX2-24A，可綜合a）和b）兩個優勢并可能獲得最大的性能優勢。

750A/3300V 全SiC 2in1模塊（FMF750DC-66A）

2015年6月，第1款基于全SiC功率模塊，并由三菱電機開發的機車牽引系統在日本新干線安裝使用[5]，如圖13所示。這個系統的優勢在于其逆變器體積相對傳統逆變器減小了55%，且重量減輕了33%。

圖13 日本新干線上應用的第1款基于SiC功率模塊的逆變器

三菱電機新開發的750 A/3300 V全SiC 2in1模塊，FMF750DC-66A，在參考文獻[6]中有著詳細介紹，其內部包含SiC MOSFET及反并聯SiC肖特基二極管（SBD）。為了降低模塊封裝內部電感（<10 nH）和提高并聯芯片之間良好的均流，這款模塊采用了一種被稱為LV100全新的封裝，如圖14所示。

圖14 采用LV100封裝的750A/3300V全SiC 2in1功率模塊

750A/3300V Si-IGBT模塊和FMF750DC-66A的開關波形的對比分別如圖15和圖16所示。

圖15 導通波形對比

圖16 關斷波形對比

與Si-IGBT模塊相比，FMF750DC-66A具有更低的開關損耗，其Eon相對降低了61%，Eoff則相對減小了95%。SiC功率器件低開關損耗這一令人興奮的特性可實現前面所提到的幾個改善，如減小逆變器尺寸，或提高系統開關頻率，或實現這兩者的組合，這取決于在特定應用中的優先級。

為了滿足機車牽引應用中的環境和可靠性要求， FMF750DC-66A已經通過了以下認證實驗：

? Vds=2810 V,Vgs=-10 V,Tj=175 °C條件下1000小時的HTRB試驗；

?宇宙輻射穩定性試驗；

? Vgs=+/-20V,Vds=0 V,Tj=175 °C條件下1000小時的 HTGB試驗；

? Tj (max)=175°C下的功率循環試驗；

? Ta=85°C,RH=85 %,Vds=2100 V,Vgs=-10 V條件下1000小時的 H3TRB試驗；

? Vds=1650 V,Id=354 A,fo=20 Hz,fc=1 kHz條件下1500小時的開關試驗。

因此， FMF750DC-66A適用于機車牽引系統得到驗證。這款全新的全SiC功率模塊的開關損耗比傳統Si-IGBT功率模塊的降低了大約80%。與現有采用硅器件的機車牽引系統相比，采用FMF750DC-66A逆變器的總功耗可降低30%。

SiC技術拓展的研究與開發

與現有SiC功率模塊設計相同步，基于SiC功率器件的多種全新應用設備的研發也在進行中，如圖1所示。

SiC功率器件在新能源汽車動力傳動中的應用是一個很有前景的應用方向。參考文獻[7]中報道了300A/1200V SiC MOSFET芯片的試驗生產，如圖17所示。該芯片具有10x10mm2的尺寸，額定Ron=5.9m?cm2@Vg=15 V，Ids=300A。盡管這是兩年前的研究成果，但該芯片仍然是業內尺寸最大的1200V SiC MOSFET芯片（截止至2017年9月）。

圖17 300A/1200V SiC MOSFET芯片

三菱電機另一個在新能源汽車領域中應用SiC功率器件的開拓性案例如圖18所示。這款體積僅為275x151x121mm3的超緊湊型430kVA逆變單元是針對混合動力汽車應用而開發，且具有86 kVA/dm3的業內最高功率密度[8]。

圖18 針對HEV應用的功率密度高達86kVA/dm3的超緊湊型逆變器

SiC技術另一重要的研究方向是拓展SiC功率器件的阻斷電壓。參考文獻[9]提出內置SBD的8.1x8.1 mm2 6500V SiC MOSFET芯片已研制成功，如圖19和圖20所示。

圖19 內置SBD的6500V SiC MOSFET晶圓

圖20 內置SBD的6500V SiC MOSFET芯片的漏極特性

這種全新的芯片技術具有兩個優勢：

a）SBD與SiC MOSFET集成在同一芯片上，可大幅減小功率模塊對有源芯片面積的需要。文獻[9]中的案例說明了相比采用獨立SBD芯片的功率模塊，單一芯片方案模塊的芯片安裝面積的縮減因子為3~4，從而實現了高電流密度的模塊設計。

b）內置于MOSFET芯片的SBD實現了MOSFET雙向無退化的全單極運行，可以降低寄生二極管工作時的導通電阻所增加的芯片設計難度，因為SiC MOSFET的雙極性體二極管能安全地被其內置SBD旁路。長期的可靠性試驗結果表明，這種SiC MOSFET的結構完全能夠避免由堆垛層錯擴展引起的雙極退化效應[9]。

總結與展望

三菱電機是將SiC技術應用于功率模塊的先驅之一，其SiC功率模塊產品線涵蓋額定電流15A~1200A及額定電壓600V~3300V，目前均可提供樣品。與傳統Si-IGBT模塊相比， SiC功率模塊最主要優勢是開關損耗大幅減小。對于特定逆變器應用，這種優勢可以減小逆變器尺寸，提高逆變器效率及增加開關頻率。目前，基于SiC功率器件逆變設備的應用領域正在不斷擴大。通過對SiC技術的深入研究，三菱電機正不斷夯實著未來SiC功率半導體時代的基礎。