三菱電機開發了首款6.5kV全SiC(Silicon Carbide)功率模塊
，采用高絕緣耐壓HV100標準封裝(100mmÍ140mm)。通過電磁仿真和電路仿真，優化了HV100封裝的內部設計，並通過實際試驗驗證了穩定的電氣特性。6.5kV HV100全SiC功率模塊為了提高功率密度
，將SiC SBD(Schottky Barrier Diode)與SiC MOSFET芯片集成在一起。

 

在續流時，集成的SiC SBD會導通，而SiC MOSFET的寄生體二極管不會導通
，所以避免了雙極性退化效應發生。本文對比了Si IGBT功率模塊(Si IGBT芯片和Si二極管芯片)、傳統全SiC MOSFET功率模塊(SiC MOSFET芯片，無外置SBD)和新型全SiC MOSFET功率模塊(SiC MOSFET和SiC SBD集成在同一個芯片上)，結果表明新型全SiC MOSFET功率模塊在高溫、高頻工況下優勢明顯。

 

1

、引 言

 

SiC材料具有優異的物理性能，由此研發的SiC功率模塊可以增強變流器的性能[1-2]。相對Si芯片

，全SiC芯片可以用更小的體積實現更高耐壓
、更低損耗，給牽引變流係統和電力傳輸係統的研發設計帶來更多便利。3.3kV全SiC功率模塊已經在牽引變流器中得到應用

，有著顯著的節能、減小變流器體積和重量等作用[3-4]。6.5kV Si IGBT模塊已經用於高鐵和電力傳輸係統，這些市場期待6.5kV SiC功率模塊能帶來更多好處。基於此
，三菱電機開發了6.5kV全SiC MOSFET功率模塊[5-7]，其采用HV100標準封裝[8]，如圖1所示。這個封裝為方便並聯應用而設計
，電氣穩定性顯得尤為重要。

 

 

本文介紹了6.5kV新型全SiC MOSFET功率模塊的內部結構和電氣特性，相對於傳統的Si IGBT模塊、傳統全SiC MOSFET功率模塊，新型全SiC MOSFET功率模塊在靜態特性、動態特性和損耗方麵優勢明顯。

 

2
、6.5kV新型SiC MOSFET功率模塊特性

 

2.1  集成SiC SBD的SiC-MOSFET芯片特性

 

HV100封裝6.5kV新型全SiC MOSFET功率模塊采用SiC MOSFET和SiC SBD一體化芯片技術，最高工作結溫可達175℃。

 

模塊設計中的一個重要難點是避免SiC MOSFET的寄生體二極管（PIN二極管）導通，一旦PIN二極管中有少子（空穴）電流流向二極管的陰極（SiC MOSFET的漏極），因為SiC芯片外延層特性
，雙極性退化效應發生的可能性就會增加。在續流狀態下，SiC SBD的正向飽和壓降在全電流範圍內比SiC MOSFET的寄生體二極管要低。

 

獨立放置的SiC MOSFET 和SiC SBD芯片如圖2（a）所示
，SiC SBD的麵積是SiC MOSFET芯片麵積的3倍；如果將SiC SBD集成在SiC MOSFET芯片上麵，如圖2（b）所示，總麵積是單個SiC MOSFET芯片麵積的1.05倍。集成在SiC MOSFET芯片上麵的SiC SBD采用垂直元胞結構
，在續流時承載全部反向電流
，同時使SiC MOSFET芯片的寄生體二極管不流過電流，從而消除雙極性退化效應。如圖2所示
，由於芯片麵積減小
，模塊整體體積就可以減小。相對於傳統的Si IGBT模塊和傳統全SiC MOSFET功率模塊

，采用相同HV100封裝的新型全SiC MOSFET功率模塊可以實現業界最高的功率密度。

 

 

2.2  新型SiC MOSFET功率模塊的優化設計

 

6.5kV新型全SiC MOSFETgonglvmokuaineibucaiyongbanqiaotuopu，yibandedagonglvyingyongkeyicaiyongbinglianlianjielaitigaoshuchugonglv。gaodianyagonglvmokuaizaigaopinxiayunxing
，xuyaokaolvmokuaizishendejishengdianrong
、寄生電感和寄生阻抗等。3D電磁仿真是驗證內部封裝結構和芯片布局的一種有效方法。電磁幹擾可能帶來三種不良的影響：一是開關過程中的電流反饋；二是上、下橋臂開關特性不一致；三是柵極電壓振蕩。電磁幹擾會增加模塊內部功率芯片布置、綁定線連接及其他電氣結構設計的複雜性。

 

我們構建了6.5kV新型全SiC MOSFET功率模塊的內部等效電路和芯片模型，通過3D電磁仿真和電路仿真，驗證了功率模塊設計的合理性。

 

2.2.1

 

優化開關速度

 

ruguozaimokuaifengzhuangshejishimeiyoukaolvdianciganrao
，zaishijigongkuangzhong，jiuhuichanshengkaiguanguochengzhongdedianliufankui
，shixinpiandeguyoukaiguansudufashengbianhua
，jinerkenengzaochengshangqiaobihexiaqiaobidekaiguansudubuyizhi。fudedianliufankuikeyijiangdixinpiandekaiguansudu
，daozhixinpiandekaiguansunhaozengjia，yincikaiguansududebupinghengkeyidaozhimokuaineibugegexinpianderefenbubuyizhi。tu3顯示了6.5kV新型全SiC MOSFET功率模塊在有電磁幹擾和無電磁幹擾下的仿真開通波形，從圖中可以看出，通過優化內部電氣設計，電磁幹擾對6.5kV新型全SiC MOSFET功率模塊沒有影響。圖4為6.5kV新型全SiC MOSFET功率模塊上橋臂和下橋臂的仿真開通波形
，兩者的波形幾乎完全一樣
，在實際測試時也驗證了這一點。

 

 

2.2.2

 

柵極電壓振蕩抑製

 

在(zai)高(gao)電(dian)流(liu)密(mi)度(du)功(gong)率(lv)模(mo)塊(kuai)中(zhong)，內(nei)部(bu)有(you)很(hen)多(duo)功(gong)率(lv)芯(xin)片(pian)並(bing)聯(lian)


，寄(ji)生(sheng)電(dian)容(rong)和(he)寄(ji)生(sheng)電(dian)感(gan)可(ke)能(neng)組(zu)成(cheng)複(fu)雜(za)的(de)諧(xie)振(zhen)電(dian)路(lu)
，從(cong)而(er)可(ke)能(neng)造(zao)成(cheng)柵(zha)極(ji)電(dian)壓(ya)振(zhen)蕩(dang)。柵(zha)極(ji)電(dian)壓(ya)振(zhen)蕩(dang)幅(fu)度(du)過(guo)大(da)，可(ke)能(neng)損(sun)壞(huai)柵(zha)極(ji)。通(tong)常(chang)可(ke)以(yi)增(zeng)大(da)芯(xin)片(pian)內(nei)部(bu)的(de)門(men)極(ji)電(dian)阻(zu)來(lai)達(da)到(dao)抑(yi)製(zhi)振(zhen)蕩(dang)的(de)目(mu)的(de)
，但(dan)是(shi)增(zeng)大(da)內(nei)部(bu)門(men)極(ji)電(dian)阻(zu)會(hui)造(zao)成(cheng)開(kai)關(guan)損(sun)耗(hao)增(zeng)加(jia)
，在(zai)設(she)計(ji)模(mo)塊(kuai)時(shi)，我(wo)們(men)希(xi)望(wang)內(nei)部(bu)柵(zha)極(ji)電(dian)阻(zu)盡(jin)可(ke)能(neng)小(xiao)。借(jie)助(zhu)仿(fang)真(zhen)手(shou)段(duan)，在(zai)保(bao)持(chi)小(xiao)的(de)柵(zha)極(ji)電(dian)阻(zu)的(de)情(qing)況(kuang)下(xia)，我(wo)們(men)通(tong)過(guo)優(you)化(hua)內(nei)部(bu)電(dian)氣(qi)布(bu)局(ju)很(hen)好(hao)地(di)抑(yi)製(zhi)了(le)柵(zha)極(ji)電(dian)壓(ya)振(zhen)蕩(dang)。

 

 

圖5為6.5kV新型全SiC MOSFET功率模塊在優化內部設計之前和優化之後的柵極電壓仿真波形。優化之前，有一個比較大的振蕩，振幅可達13V。優化之後

，柵極電壓振蕩得到抑製
，幅度隻有2V
，在實際測試中也驗證了這一點。

 

2.3  靜態特性參數對比

 

圖6為400A IGBT模塊（從額定電流1000A IGBT轉換而來）
、400A傳統全SiC MOSFET功率模塊（不含SiC SBD）和400A新型全SiCMOSFET功率模塊通態壓降對比。在150℃時，SiIGBT的通態電阻比較低，這是因為Si IGBT是雙極性器件
，而SiC MOSFET屬於單極性器件。400A傳統全SiC MOSFET功率模塊（不含SiC SBD）和400A新型全SiCMOSFET功率模塊芯片麵積幾乎相同，所以在全溫度範圍內其通態電阻也幾乎相同。

 

二極管正向壓降對比如圖7和圖8所示。圖7是各模塊件在非同步整流狀態（MOSFET不導通）下二極管電流特性的對比
，圖8為各模塊在同步整流狀態（MOSFET導通）下二極管電流特性的對比。從圖中可以看出
，在非同步整流狀態下，傳統SiC-MOSFET功率模塊的表現呈非線性特性；而新型全SiC MOSFET功率模塊，無論在同步整流還是非同步整流時，都呈線性特征。由上，無論在MOSFET導通狀態，還是在二極管導通狀態，全SiC MOSFET功率模塊都表現出單極性器件的特性。

 

 

 

2.4  動態特性參數對比

 

圖9為新型全SiC MOSFET功率模塊在3600V/400A 在室溫和高溫下（175℃）的開通波形對比
，從圖中可以看出
，經過內部結構優化的新型全SiC MOSFET功(gong)率(lv)模(mo)塊(kuai)上(shang)橋(qiao)臂(bi)和(he)下(xia)橋(qiao)臂(bi)在(zai)室(shi)溫(wen)和(he)高(gao)溫(wen)下(xia)的(de)開(kai)關(guan)速(su)度(du)幾(ji)乎(hu)完(wan)全(quan)一(yi)樣(yang)，所(suo)以(yi)其(qi)室(shi)溫(wen)和(he)高(gao)溫(wen)下(xia)的(de)損(sun)耗(hao)也(ye)幾(ji)乎(hu)一(yi)樣(yang)。一(yi)般(ban)來(lai)說(shuo)

，隨(sui)著(zhe)溫(wen)度(du)的(de)增(zeng)加(jia)（載流子壽命增加），反向恢複電流也會隨之增加，但是如圖9所示
，高溫下的反向恢複電荷（Qrr）相對常溫增加很少。與靜態特性一樣，新型全SiC MOSFET功率模塊在動態特性上表現出單極性器件的特性。

 

 

2.5  實測開關波形和開關損耗對比

 

圖10為傳統全SiC MOSFET功率模塊和新型全SiC MOSFET功率模塊的開通波形在室溫和175℃下對比，從圖中可以看出在室溫下
，兩者波形很接近，但是在175℃下

，傳統全SiCMOSFET功率模塊反向恢複電流更大，VDS下降速度更慢。而新型全SiC MOSFET功率模塊因為反向恢複電流小，所以其VDS下降速度更快。同時這些特性表明兩者的開通損耗和反向恢複損耗在室溫下非常接近，但是在高溫下，新型全SiC MOSFET功率模塊的開通損耗和反向恢複損耗相對更小，主要原因是反向恢複時，新型全SiCMOSFET功率模塊的寄生體二極管不導通。

 

 

在175℃時，傳統全SiC MOSFET功gong率lv模mo塊kuai在zai開kai通tong時shi會hui有you一yi個ge比bi較jiao大da的de振zhen蕩dang，而er振zhen蕩dang可ke能neng造zao成cheng電dian磁ci幹gan擾rao
，進jin而er影ying響xiang模mo塊kuai的de安an全quan工gong作zuo。實shi際ji應ying用yong中zhong，希xi望wang這zhe個ge振zhen蕩dang越yue小xiao越yue好hao，為wei了le抑yi製zhi振zhen蕩dang，可ke以yi減jian緩huan模mo塊kuai開kai關guan速su度du或huo者zhe增zeng加jia外wai部bu吸xi收shou電dian路lu。但dan是shi對dui於yu新xin型xing全quanSiC MOSFET功率模塊，在高溫下振蕩非常小
，無需采取額外措施來抑製振蕩。

 

在高壓全SiC MOSFET功率模塊中，造成以上差異的主要原因是傳統全SiC MOSFET功率模塊有一層厚的外延層，在反向恢複時會產生比較大的反向恢複電流。

 

圖11為Si IGBT模塊、傳統全SiC MOSFET功率模塊和新型全SiC MOSFET功率模塊的開關損耗對比（Si IGBT模塊與全SiCMOSFET功率模塊分別設置在最佳開關速度）。從圖中可以看出，全SiC MOSFET功率模塊損耗明顯小於Si IGBT模塊。並且
，在175℃時，新型全SiC MOSFET功率模塊比傳統全SiC MOSFET功率模塊開通損耗低18%，反向恢複損耗低80%。

 

 

3、損耗對比

 

在開關頻率fs=0.5kHz、2kHz和10kHz
，PF=0.8，調製比M=1，母線電壓VCC=3600V
，輸出電流IO=200A的工況下
，對比了采用Si IGBT模塊（150℃）、傳統全SiC MOSFET功率模塊（175℃）和新型全SiC MOSFET功率模塊（175℃）的逆變器損耗，如圖12所示。從圖中可以看出
，在fs=0.5kHz，通態損耗占很大比例
，此時全SiC MOSFET功率模塊比Si IGBT模塊低64%，同時傳統全SiC MOSFET功率模塊和新型全SiC MOSFET功率模塊相差很小。

 

在fs=2kHz，全SiC MOSFET功率模塊比Si IGBT模塊低85%
，而新型全SiC MOSFET功率模塊相對傳統全SiCMOSFET功率模塊低7%。在fs=10kHz

，開關損耗占據很大比例，此時全SiC MOSFET功率模塊比Si IGBT功率模塊低92%，而新型全SiC MOSFET功率模塊相對傳統全SiCMOSFET功率模塊低16%。從以上可以看出，新型全SiCMOSFET功率模塊更適合高頻、高溫應用。

 

 

4、結 論

 

三菱電機開發了業界首款采用HV100封裝的新型6.5kV全SiC MOSFET功率模塊。通過電磁仿真
、電路仿真和實際測試
，確認了內部電氣設計的合理性。同時
，新型6.5kV全SiC MOSFET功率模塊采用SiC SBD和SiC MOSFET一體化芯片設計
，減小了模塊體積，實現了6.5kV業界最高的功率密度。通過靜態測試和動態測試
，確認了新型6.5kV全SiC MOSFET功率模塊無論在SiC MOSFET導通還是SiC SBD導通時都表現出單極性器件的特性，且其SiC SBD在高溫下反向恢複電流小，沒有雙極性退化效應。新型6.5kV全SiC MOSFET功率模塊在高溫下導通時VDS下降更快，其導通損耗更小，且沒有振蕩現象發生。

 

同時，對比了Si IGBT模塊、傳統全SiC MOSFET功率模塊和新型全SiC MOSFET功率模塊的損耗，在開關頻率為10kHz時，新型全SiCMOSFET功率模塊的損耗比Si IGBT模塊大概低92%，比傳統全SiC MOSFET功率模塊相對低16%。相對傳統全SiC MOSFET功率模塊，由於SiC MOSFET體二極管與集成的SiC SBD之間反向恢複特性的不同，新型全SiC MOSFET功率模塊在高溫
、高頻等應用工況下更有優勢。

 

 

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