專訪｜Daichi Yosho

PCIM Asia Conference 2024

青年工程師獎(jiǎng)獲得者

Q能否請(qǐng)您簡單介紹一下自己？

A我于2019年和2020年分別獲得了日本福岡九州大學(xué)航空航天工程學(xué)士和碩士學(xué)位。自2022年起，我就職于日本福岡的三菱電機(jī)功率器件制作所，擔(dān)任面向鐵路應(yīng)用的高壓器件部門的功率半導(dǎo)體器件工程師。

Q您選擇該專業(yè)/職業(yè)的契機(jī)是什么？

A我在大學(xué)主修航空航天工程，航空航天是一個(gè)充滿浪漫且頗有裨益的領(lǐng)域，但因?yàn)榘ㄍ七M(jìn)、材料和控制工程在內(nèi)的專業(yè)過于細(xì)分，讓我覺得很難掌握多個(gè)領(lǐng)域。因此，我選擇了功率半導(dǎo)體這一對(duì)未來社會(huì)有價(jià)值的領(lǐng)域，并且在這里我可以專注于深化我的知識(shí)。然而，在實(shí)際參與之后，我意識(shí)到功率半導(dǎo)體也是一個(gè)包含各種專業(yè)領(lǐng)域的復(fù)雜行業(yè)。

Q是什么吸引您到三菱電機(jī)功率器件制作所工作？

A功率半導(dǎo)體器件是構(gòu)建節(jié)能社會(huì)的關(guān)鍵技術(shù)，而三菱電機(jī)是日本功率器件制造領(lǐng)域的先端企業(yè)，我被此深深吸引。此外，三菱電機(jī)不僅從事功率半導(dǎo)體器件業(yè)務(wù)，還涉及多種應(yīng)用業(yè)務(wù)。這種廣泛的業(yè)務(wù)范圍使得在技術(shù)開發(fā)中能夠產(chǎn)生高度的協(xié)同效應(yīng)，這是我覺得有吸引力的另一個(gè)方面。

Q能否請(qǐng)您簡單描述一下您的工作內(nèi)容以及工作感受？

A我負(fù)責(zé)鐵路應(yīng)用高壓功率半導(dǎo)體模塊的設(shè)計(jì)和開發(fā)。要制造單個(gè)功率模塊，需要來自各個(gè)領(lǐng)域的專家和專業(yè)知識(shí)。因此，我覺得這項(xiàng)工作非常深刻和有趣。

Q能否請(qǐng)您介紹一下獲獎(jiǎng)?wù)撐牡闹饕獌?nèi)容？

A我們開發(fā)了一款用于鐵路應(yīng)用的3.3kV SBD嵌入式SiC-MOSFET模塊。該模塊的特點(diǎn)包括能夠避免SiC-MOSFET特有的雙極退化，并通過明確特定芯片中的浪涌電流集中機(jī)制顯著提高浪涌電流能力。此外，與傳統(tǒng)的SiC模塊相比，該模塊降低了開關(guān)損耗和熱阻，從而顯著提高了逆變器的輸出電流。

Q獲得該獎(jiǎng)項(xiàng)，您有何感想？

A我很榮幸能獲得青年工程師獎(jiǎng)。雖然我是獲獎(jiǎng)?wù)?，但這篇論文的成就得益于許多人以有形和無形的方式做出的貢獻(xiàn)。我相信，以工程師而非研究人員的名字命名這個(gè)獎(jiǎng)項(xiàng)，意味著這些成果是眾多同事共同努力的結(jié)果，我謹(jǐn)借此機(jī)會(huì)向所有相關(guān)人員表示衷心的感謝。

Q作為青年技術(shù)人才，請(qǐng)問有什么經(jīng)驗(yàn)可以和大家分享？

A雖然我作為一名工程師的職業(yè)生涯仍處于初級(jí)階段，但我相信，對(duì)工程師來說，重要的是擁有廣泛的知識(shí)和與他人合作的能力。在開發(fā)過程中遇到問題時(shí)，來自看似無關(guān)領(lǐng)域的知識(shí)有時(shí)也能幫助解決問題，為了掌握這些知識(shí)，我發(fā)現(xiàn)每天保持對(duì)各種技術(shù)領(lǐng)域的興趣很重要。此外，我認(rèn)為僅靠一己之力是有限的，因此，在解決問題時(shí)，讓該領(lǐng)域的專家和同事參與協(xié)作極其必要。

Q基于三菱電機(jī)這個(gè)平臺(tái)，您對(duì)未來有何期待和展望？

A三菱電機(jī)廣泛涉足多種業(yè)務(wù)，開發(fā)和制造用于消費(fèi)、汽車、工業(yè)和鐵路應(yīng)用的產(chǎn)品，這些業(yè)務(wù)技術(shù)的核心是功率模塊。因此，我相信，通過開發(fā)創(chuàng)新的功率模塊，我們可以顯著提高其他業(yè)務(wù)產(chǎn)品的性能，這非常棒。

Q在工作之余，您有什么興趣愛好嗎？

A我的愛好是下將棋，這是一種傳統(tǒng)的日本棋盤游戲，與中國象棋有淵源。將棋和象棋的區(qū)別在于，在將棋中，你可以將捕獲的棋子當(dāng)作自己的棋子使用，而且棋子的運(yùn)動(dòng)在特定區(qū)域會(huì)發(fā)生變化。將棋是一種完全不涉及運(yùn)氣的游戲，這既是它的魅力，也是它的難點(diǎn)所在。我對(duì)棋盤游戲很感興趣，下次去中國的時(shí)候，我想嘗試下中國象棋。

論文｜

軌道牽引用3.3kV SBD嵌入式SiC-MOSFET模塊

Abstract｜摘要

三菱電機(jī)新開發(fā)了3.3kV金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)管碳化硅模塊（SiC-MOSFET），采用了嵌入式肖特基勢(shì)壘二極管（SBD-Embedded）技術(shù)，可以滿足鐵路應(yīng)用的高可靠性、高功率和高效率要求。通過將SBD嵌入到MOSFET中，避免了SiC-MOSFET固有的雙極退化。通過采用一種新穎的雙極模式激活（BMA）元胞結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了足夠的浪涌電流能力。與傳統(tǒng)的SiC模塊相比，電特性有了顯著改善，開關(guān)損耗降低了58%。此外，MOSFET部分的熱阻降低了35%，續(xù)流二極管部分的熱阻降低了63%。因此，逆變器的輸出電流顯著增強(qiáng)。

1｜介紹

自20世紀(jì)90年代后半期以來，硅基絕緣柵雙極晶體管（IGBT）功率半導(dǎo)體已被用于鐵路應(yīng)用。通過各種改進(jìn)，如減少損耗和采用先進(jìn)的封裝技術(shù)，性能逐漸得到改善。然而，硅基功率半導(dǎo)體現(xiàn)在已經(jīng)接近其物理極限，為了進(jìn)一步改進(jìn)，必須采用像SiC這樣的寬禁帶半導(dǎo)體。SiC功率器件在鐵路應(yīng)用中相對(duì)較早，截至2024年，已經(jīng)在現(xiàn)場應(yīng)用了大約十年[1][2]。

可靠性是SiC-MOSFET的一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)，其可靠性需要與傳統(tǒng)Si-IGBT模塊相當(dāng)，甚至更高，這有更高的難度，因?yàn)镾iC-MOSFET特有的可靠性問題在Si-IGBT中不存在。其中一個(gè)SiC特有的可靠性問題是由于雙極退化導(dǎo)致通態(tài)電壓增加（見圖1）。如何防止雙極退化是實(shí)現(xiàn)高可靠性SiC-MOSFET的關(guān)鍵[3-5]。

與可靠性同樣重要的是電氣特性的改進(jìn)，特別是如何減少能量損耗。功率器件中開關(guān)損耗和通態(tài)損耗的降低可以提高應(yīng)用系統(tǒng)的效率，這是非常重要的。此外，由于期望將SiC模塊應(yīng)用在高溫條件下，改善熱特性至關(guān)重要。損耗和熱特性的改善也有助于提高模塊的使用壽命。換句話說，SiC-MOSFET模塊的低損耗和低熱阻特性有助于實(shí)現(xiàn)鐵路應(yīng)用系統(tǒng)的高效率和長壽命。

圖1：SiC-MOSFETs體二極管的雙極退化

本文提出了一種高可靠性、低損耗、低熱阻的3.3kV SBD嵌入式SiC-MOSFET模塊，并給出了該模塊的技術(shù)特點(diǎn)。SiC-MOSFET模塊的應(yīng)用范圍已從主逆變器單元擴(kuò)展到輔助電源單元（APU）、電池充電器和DC-DC轉(zhuǎn)換器。由于每個(gè)應(yīng)用的電流容量不同，需要全面的產(chǎn)品來滿足相應(yīng)的需求，因此，我們擴(kuò)展了新模塊陣容以適應(yīng)各種應(yīng)用。作為該系列的一部分，我們主要介紹適用于APU等應(yīng)用的低電流等級(jí)模塊。

2｜概述

新開發(fā)的模塊外觀如圖2所示。為實(shí)現(xiàn)低封裝電感和快速開關(guān)，采用了LV100封裝，這是高壓功率模塊的新標(biāo)準(zhǔn)封裝。該封裝與傳統(tǒng)的3.3kV全SiC功率模塊相同。表1顯示了3.3kV SBD嵌入式SiC-MOSFET模塊的產(chǎn)品陣容，產(chǎn)品線廣泛，包括額定電流800A，400A和200A的產(chǎn)品。

在接下來的章節(jié)中，將深入介紹這些新開發(fā)產(chǎn)品的可靠性、電氣特性和熱特性的細(xì)節(jié)?；诘皖~定電流的產(chǎn)品對(duì)電氣特性和熱特性進(jìn)行說明。最后，對(duì)這些產(chǎn)品的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)加以介紹。

圖2：3.3kV SBD嵌入式SiC-MOSFET模塊

表1：3.3kV SBD嵌入式SiC-MOSFET產(chǎn)品線

3｜可靠性

3.1｜消除雙極退化

為了實(shí)現(xiàn)SiC-MOSFET模塊的高可靠性，必須克服SiC-MOSFET的一個(gè)固有問題，即由體二極管導(dǎo)通引起的雙極退化（參見圖1）。防止雙極退化的一種方法是采用單獨(dú)的SBD芯片作為續(xù)流二極管并進(jìn)行特殊篩選測(cè)試。然而，在高壓和大功率場合（芯片面積大且漂移層厚），雙極退化的風(fēng)險(xiǎn)會(huì)顯著增加。在傳統(tǒng)的3.3kV SiC-MOSFET模塊中，反并聯(lián)SBD芯片的尺寸需要是MOSFET芯片的1.5倍左右，以保證固有體二極管不被激活[3]。這需要在功率模塊內(nèi)占用寶貴的空間并增加了制造成本。如果將SBD嵌入到MOSFET芯片中，則可以減少所需的芯片面積，并且無需進(jìn)行特殊的篩選測(cè)試。

外部反并聯(lián)SBD和嵌入式SBD之間的區(qū)別解釋如下。外部SBD的壓降需要低于MOSFET PN結(jié)的壓降，以防止固有體二極管工作（圖3）。隨著所需擊穿電壓的增加，外部SBD的漂移層變厚，壓降變大。圖3描述了采用外部SBD的傳統(tǒng)SiC-MOSFET和SBD嵌入式SiC-MOSFET的原理圖。在采用外部SBD的情況下，芯片的總壓降施加到固有MOSFET的PN結(jié)。相反，在SBD嵌入式MOSFET中，漂移層是共享的，因此漂移層中的壓降不會(huì)施加到PN結(jié)。因此，不需要顯著增加芯片面積就有可能抑制固有體二極管的導(dǎo)通。圖4顯示了通過將SBD嵌入芯片使固有體二極管不被激活的過程。（a）顯示了MOSFET和SBD部分芯片截面結(jié)構(gòu)，類似于采用外部SBD芯片。在這種情況下，當(dāng)SBD部分和漂移層的壓降超過固有體二極管的壓降時(shí)，固有體二極管開始導(dǎo)通。在這里，固有體二極管開始導(dǎo)通的電流密度定義為最大單極性電流密度（JSD）。在（b）中，縮短了MOSFET和SBD的間隔，增大了最大單極性電流密度。在（c）中，通過減小間隔到元胞尺寸大小，可以達(dá)到更大單極性電流密度，從而抑制固有體二極管導(dǎo)通。在（c）的情況下，最大單級(jí)性電流密度增加到SBD正常工作范圍，而體二極管在此工作范圍內(nèi)不會(huì)導(dǎo)通。

圖3：采用外部SBD的傳統(tǒng)SiC-MOSFET

和SBD嵌入式SiC-MOSFET的原理圖

圖4：將SBD嵌入芯片使體二極管不被激活的過程

3.2｜提高浪涌電流能力

根據(jù)已了解到的信息，與使用體二極管的雙極性器件相比，嵌入SBD的SiC-MOSFETs具有較低的浪涌電流能力，這是因?yàn)榍度胧絊BD限制了發(fā)生浪涌電流時(shí)的電導(dǎo)調(diào)制，并導(dǎo)致大電流區(qū)域的高導(dǎo)通損耗。雖然SBD嵌入式SiC-MOSFETs不存在雙極性導(dǎo)通，在防止雙極退化方面是有利的，但它也會(huì)導(dǎo)致浪涌電流能力降低。為了解決這些看似矛盾的問題，我們提出了一種新的結(jié)構(gòu)來提高SBD嵌入式SiC-MOSFETs的浪涌電流能力。新結(jié)構(gòu)如圖5所示。某些部分填充p體區(qū)以使相應(yīng)的SBD失活，我們將這種新結(jié)構(gòu)稱為雙極模式激活元胞（bipolar mode activation cell, BMA cell）[6][7]。在實(shí)現(xiàn)BMA元胞后，SBD嵌入式SiC-MOSFET模塊的浪涌電流能力達(dá)到了與采用體二極管工作的SiC-MOSFET模塊相似的水平（見圖6，顯示了800A產(chǎn)品的結(jié)果）[8]。作為參考，圖6也顯示了在初始結(jié)溫Tj=125℃下，采用Si二極管芯片的600A Si模塊的測(cè)量結(jié)果。即使在初始溫度高50K的條件下，SBD嵌入式SiC-MOSFET模塊也表現(xiàn)出比傳統(tǒng)Si模塊更好的浪涌電流能力。下面，我們介紹有關(guān)BMA元胞的詳細(xì)信息。

BMA元胞有兩個(gè)主要功能。首先，只有在發(fā)生浪涌電流的情況下，即在異常條件下有大電流流過時(shí)，它才觸發(fā)固有體二極管的工作。體二極管的導(dǎo)通有助于通過抑制大電流時(shí)的導(dǎo)通損耗來增強(qiáng)浪涌電流能力。由固有體二極管的導(dǎo)通導(dǎo)致的雙極退化影響可以忽略不計(jì)，這是因?yàn)樗话l(fā)生在有限的情況下。BMA元胞的面積約為總芯片有效面積的0.2%，它不影響電特性。自然，體二極管在模塊正常工作期間處于非激活狀態(tài)。圖7顯示了SBD嵌入式SiC-MOSFETs在Tj=175℃時(shí)的I-V特性，無論是否有BMA元胞，在功率模塊的安全工作區(qū)域內(nèi)都可以單極性工作。

圖5：BMA元胞結(jié)構(gòu)

圖6：浪涌正向電流（IFSM）測(cè)量結(jié)果威布圖

圖7：SBD嵌入式SiC-MOSFET在Tj=175℃時(shí)

的源漏極電流密度和電壓波形

圖8：浪涌電流能力測(cè)試后并聯(lián)芯片的表面外觀

其次，BMA元胞減小了安裝在模塊內(nèi)的每個(gè)SBD嵌入式SiC-MOSFET芯片之間的特性差異，特別是折返電壓（Vsnap, snapback voltage），固有體二極管開始工作時(shí)的電壓被定義為折返電壓。在大電流功率模塊中，通常是并聯(lián)安裝多個(gè)芯片，功率模塊的浪涌電流能力不等于單個(gè)芯片浪涌電流能力（IFSM或I2t）的總和。這是因?yàn)殡娏鲿?huì)集中在具有最小折返電壓的芯片上，這個(gè)芯片從單極性導(dǎo)通到雙極性導(dǎo)通發(fā)生在所有其它芯片之前。圖8（a）證實(shí)了這一假設(shè)，圖8（a）描繪了在評(píng)估浪涌電流能力后，沒有BMA元胞芯片并聯(lián)連接的外觀。芯片表面存在熔化的鋁區(qū)域，表明有大電流通過芯片，熔點(diǎn)只存在于一個(gè)芯片上，說明電流只集中在一個(gè)芯片上，在那里熔化的鋁是可見的。折返電壓值會(huì)受到SiC-MOSFET芯片內(nèi)置SBD區(qū)域?qū)挾鹊娘@著影響。由于制造工藝的影響，內(nèi)置SBD的寬度很難控制完全一致。因此，通過有意地加入體二極管區(qū)域，可以使折返電壓的差異最小化，使得折返電壓可控。使用BMA元胞（見圖8（b）），可以在整個(gè)芯片表面看到熔化的鋁，表明浪涌電流分布均勻。

雖然圖8（b）顯示浪涌電流均勻分布在所有芯片上，但要始終保持這種狀態(tài)，需要適當(dāng)設(shè)計(jì)BMA元胞面積。這是因?yàn)锽MA元胞的面積與折返電壓之間存在相關(guān)性，隨著BMA元胞的面積增加，折返電壓降低。為了控制折返電壓（從而控制浪涌電流能力），有必要確定BMA元胞的面積，以允許在低于最小折返電壓的條件下進(jìn)行雙極導(dǎo)通。圖9顯示了當(dāng)BMA元胞的面積改變時(shí)，浪涌電流能力和電流集中的芯片數(shù)量。準(zhǔn)備了α和β兩種樣品，樣品中4個(gè)芯片并聯(lián)。樣品α和β的BMA元胞的面積不同，樣品β的BMA元胞的面積是樣品α的2.5倍。對(duì)于樣品α，因?yàn)殡娏骷性谀骋粋€(gè)芯片上，所以浪涌電流能力較低。在三個(gè)α樣品中，發(fā)生表面鋁熔化的芯片數(shù)量越多，換句話說，有電流集中的芯片數(shù)量越多，相應(yīng)的浪涌電流能力也越大。

圖9：浪涌電流能力和電流集中的芯片數(shù)量關(guān)系，

β的BMA元胞面積是α的2.5倍

另一方面，在β中，電流均勻地流過所有芯片，具有高浪涌電流能力。因此，在設(shè)計(jì)BMA元胞面積為“β”或更大時(shí)，不存在浪涌電流能力的問題。雖然圖9中的樣品數(shù)量為每種規(guī)格三個(gè)，但我們已經(jīng)對(duì)足夠數(shù)量的模塊進(jìn)行了評(píng)估，這些模塊采用等效或比β更大的BMA元胞面積的芯片，在該模塊評(píng)估中，我們確認(rèn)了電流分布均勻，模塊具有足夠的浪涌電流能力（參見圖6）。

考慮到BMA元胞本身的制造差異性以及分散性，需要確認(rèn)電流是否均勻分布到所有并聯(lián)芯片（即具有較高的浪涌電流能力）。為此準(zhǔn)備了樣品1和樣品2用于實(shí)驗(yàn)，在兩種樣品中各有一個(gè)芯片的BMA元胞面積是不一樣的。樣品1中的一個(gè)芯片的BMA元胞面積是模塊中其它芯片的1.4倍，樣品2中的一個(gè)芯片的BMA元胞面積是模塊中其它芯片的2倍。除例外的一個(gè)芯片外，模塊中其余芯片的BMA元胞面積統(tǒng)一等于β（見圖10上部）。每種類型的樣品數(shù)量為5個(gè)，并測(cè)量了這些樣品的浪涌電流能力。圖10下半部分的結(jié)果表明，即使BMA元胞面積有2倍的差異，對(duì)浪涌電流能力的影響也不明顯。評(píng)估測(cè)試結(jié)束后，拆卸模塊，檢測(cè)芯片表面鋁的熔化痕跡。外觀與圖8（b）相似，可以發(fā)現(xiàn)電流并沒有集中在BMA元胞面積被故意改變的芯片上。換句話說，這意味著具有內(nèi)置BMA元胞的SBD嵌入式MOSFET芯片的模塊具有穩(wěn)定的浪涌電流能力，不受BMA單元制造差異的影響。

圖10：不同樣品的浪涌電流能力結(jié)果示意圖

4｜電氣參數(shù)

與傳統(tǒng)的全SiC模塊相比，新開發(fā)的SBD嵌入式SiC-MOSFET模塊顯著提高了開關(guān)特性。圖11為新開發(fā)模塊（FMF400DC-66BEW）與傳統(tǒng)模塊（FMF375DC-66A）的開關(guān)波形對(duì)比圖。為了公平比較，開關(guān)條件保持一致，漏極-源極電壓VDS=1800V，漏極電流ID=375A，換流回路雜散電感LS=40nH，柵極電阻RG(ON)=1.5Ω，RG(OFF)=3.0Ω，工作溫度Tj=175℃。從開關(guān)波形中，可以觀察到以下兩個(gè)特征。

首先，與傳統(tǒng)模塊相比，新開發(fā)模塊的開通和關(guān)斷延遲時(shí)間減少（即更高的開關(guān)速度）。開關(guān)速度的提高是通過優(yōu)化芯片設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)的，減小輸入電容（Ciss）和增加跨導(dǎo)（gm）。通過優(yōu)化溝道布局，改善了跨導(dǎo)，提高了dID/dt。Ciss是在漏源電壓VDS=10V，柵源電壓VGS=0V，頻率f=100kHz的條件下測(cè)量的。如圖12所示，通過確定額定電流附近的dID /dVGS來測(cè)量gm。表2提供了Ciss和gm的測(cè)量結(jié)果，表明與傳統(tǒng)的FMF375DC-66A相比，新型FMF400DC-66BEW的Ciss降低了48%，gm增加了41%。因此，新開發(fā)的模塊減少了開通和關(guān)斷延遲時(shí)間，有助于減少開關(guān)損耗。

圖11（a）：開通和二極管關(guān)斷波形（VDD=1800V，ID=IS=375A，RG(ON)=1.5Ω，RG(OFF)=3.0Ω，LS=40nH，Tj=175℃）

圖11（b）：關(guān)斷波形（VDD=1800V，ID=375A，RG(ON)=1.5Ω，RG(OFF)=3.0Ω，LS=40nH，Tj=175℃）

表2：輸入電容和互導(dǎo)參數(shù)對(duì)比

圖12：漏極電流（ID）和柵極電壓（VGS）關(guān)系

（漏源電壓VDS=20V，Tj=25℃）

圖13：開關(guān)損耗對(duì)比

（VDD=1800V，ID=375A，LS=40nH，RG(ON)=1.5Ω，RG(OFF)=3.0Ω，Tj=175℃）

其次，SBD嵌入式SiC-MOSFET模塊在二極管關(guān)斷期間（PN二極管中提到的反向恢復(fù)）發(fā)射載流子更少。原因是它利用嵌入式SBD，沒有反向恢復(fù)電流（只有位移電流用于充電和放電輸出電容）。如果采用體二極管，則二極管關(guān)斷時(shí)發(fā)射載流子的數(shù)量會(huì)更高，即產(chǎn)生反向恢復(fù)電流。在常規(guī)模塊中，連接外部SBD，但它不能完全抑制少數(shù)載流子注入產(chǎn)生的反向恢復(fù)電荷，這就產(chǎn)生了少量的反向恢復(fù)電流（見圖11（a）的下半部分）。這就是為什么新模塊具有較低的二極管關(guān)斷損耗的原因。另外，由于二極管關(guān)斷時(shí)的電流（反向恢復(fù)電流）會(huì)導(dǎo)致對(duì)管導(dǎo)通電流的增加。換句話說，SBD嵌入式SiC-MOSFET還實(shí)現(xiàn)了開通時(shí)刻開關(guān)損耗的降低，因?yàn)樗鼪]有二極管反向恢復(fù)電流。

圖13顯示了SBD嵌入式SiC-MOSFET（FMF400DC-66BEW）和傳統(tǒng)全SiC模塊（FMF375DC-66A）的開關(guān)損耗比較。開關(guān)條件與圖11一致。SBD嵌入式SiC-MOSFET模塊實(shí)現(xiàn)了58%的總開關(guān)損耗降低。

5｜熱參數(shù)

熱特性對(duì)于SiC模塊來說是至關(guān)重要的，因?yàn)樗菫樵诟邷叵鹿ぷ鞫O(shè)計(jì)的。圖14所示為模塊的橫截面。為了在高溫下工作（最高結(jié)溫Tjmax=175℃），芯片采用銀（Ag）燒結(jié)鍵合，端子通過超聲波鍵合連接到絕緣基板上。由于采用了改進(jìn)的絕緣基板和焊接材料，新開發(fā)的模塊具有較低的熱阻（Rth）。此外，與800A額定值模塊相比，低額定電流值模塊（400A額定值和200A額定值）的芯片數(shù)量減少，從而允許芯片布局的靈活性。因此，通過優(yōu)化芯片布局，可以進(jìn)一步降低熱阻。為了能夠確定低熱阻的芯片布局，我們對(duì)芯片之間的熱干擾進(jìn)行了仿真。圖15顯示了熱干擾示意圖和熱仿真結(jié)果的示例。熱阻隨多個(gè)芯片之間距離的變化而變化。如果芯片靠得太近，熱干擾會(huì)增加，從而導(dǎo)致更高的熱阻。相反，如果它們相距太遠(yuǎn)，則芯片會(huì)靠近模塊的邊緣，從而限制散熱，增加熱阻。因此，有必要設(shè)計(jì)一個(gè)最佳的芯片間距。此外，我們確認(rèn)了模塊最佳芯片距離的熱阻測(cè)量結(jié)果與仿真結(jié)果（如圖15所示）幾乎相同。圖16比較了傳統(tǒng)模塊和新開發(fā)模塊之間的熱阻值，表明新開發(fā)模塊MOSFET部分熱阻降低了35%，續(xù)流二極管部分熱阻降低了63%。

圖14：嵌入SBD的SiC-MOSFET模塊橫截面圖

圖15：芯片間的熱干擾示意圖

和改變多芯片之間距離時(shí)熱干擾的仿真結(jié)果

圖16：熱阻對(duì)比

6｜應(yīng)用好處-變流器輸出電流仿真

功率模塊性能的提高直接關(guān)系到應(yīng)用效率。這里，我們使用Melcosim功率損耗仿真軟件[9]計(jì)算變流器輸出電流對(duì)頻率依賴性。變流器輸出電流通常被用作評(píng)估設(shè)備整體性能的基準(zhǔn)。圖17顯示了變流器輸出電流的頻率依賴性。藍(lán)線為新開發(fā)的SBD嵌入式SiC-MOSFET模塊FMF400DC-66BEW，紅線為常規(guī)的全SiC模塊FMF375DC-66A。仿真條件為：電源電壓VDD=1800V，功率因數(shù)P.F=0.85，散熱器溫度TS=80℃，調(diào)制比=1。柵極驅(qū)動(dòng)條件按照每個(gè)功率模塊的推薦條件。

采用新開發(fā)功率模塊的變流器輸出電流在整個(gè)頻譜范圍內(nèi)超過傳統(tǒng)的全SiC模塊。值得注意的是，在3kHz的頻率下，采用新功率模塊變流器的輸出電流比傳統(tǒng)的全SiC模塊高40%以上。這一信息證實(shí)，新的模塊提供了卓越的變流器輸出。也就是說，新開發(fā)的模塊不僅在主牽引系統(tǒng)中，而且在通常高頻運(yùn)行的APU等，都有助于顯著提高效率。

圖17：變流器輸出電流仿真結(jié)果

VDD=1800V，P.F=0.85，TS=80℃，modulation ratio=1

7｜結(jié)論

比Si-IGBT效率更高的SiC-MOSFET功率模塊在鐵路領(lǐng)域的應(yīng)用正在不斷擴(kuò)展。SiC-MOSFET自身的優(yōu)越特性有助于實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的高可靠性、低能量損耗和低熱阻?？紤]到這些因素，三菱電機(jī)開發(fā)了下一代SBD嵌入式SiC-MOSFET模塊，并提供一系列電流等級(jí)的產(chǎn)品。通過將SBD嵌入到MOSFET中，可以防止雙極退化，并確保高可靠性。通過引入一種BMA元胞的新結(jié)構(gòu)，解決了SBD嵌入式SiC-MOSFET浪涌電流能力弱的問題，并進(jìn)一步證實(shí)了BMA元胞結(jié)構(gòu)不受制造差異性的影響。與傳統(tǒng)模塊相比，電氣特性的改進(jìn)使開關(guān)損耗降低了58%，結(jié)構(gòu)部件的改進(jìn)和熱設(shè)計(jì)的優(yōu)化顯著降低了熱阻，特別是低電流等級(jí)產(chǎn)品的熱阻。電學(xué)特性和熱阻方面的改進(jìn)也顯著提高了變流器的輸出電流，使其在高頻范圍內(nèi)應(yīng)用更具有優(yōu)勢(shì)。

<關(guān)于三菱電機(jī)>

三菱電機(jī)創(chuàng)立于1921年，是全球知名的綜合性企業(yè)。截止2024年3月31日的財(cái)年，集團(tuán)營收52579億日元（約合美元348億）。作為一家技術(shù)主導(dǎo)型企業(yè)，三菱電機(jī)擁有多項(xiàng)專利技術(shù)，并憑借強(qiáng)大的技術(shù)實(shí)力和良好的企業(yè)信譽(yù)在全球的電力設(shè)備、通信設(shè)備、工業(yè)自動(dòng)化、電子元器件、家電等市場占據(jù)重要地位。尤其在電子元器件市場，三菱電機(jī)從事開發(fā)和生產(chǎn)半導(dǎo)體已有68年。其半導(dǎo)體產(chǎn)品更是在變頻家電、軌道牽引、工業(yè)與新能源、電動(dòng)汽車、模擬/數(shù)字通訊以及有線/無線通訊等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。