針對廣泛應(yīng)用領(lǐng)域的SiC功率模塊

面向可持續(xù)未來的創(chuàng)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(fā)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(yè)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(shù)的開發(fā) [1]。在1994年至2004年的第1個10年中，其研發(fā)工作主要針對SiC MOSFET和SiC肖特基二極管等芯片技術(shù)本身。此后，在2005年至2009年間，三菱電機將開發(fā)重點集中到了應(yīng)用SiC功率模塊于逆變器中，以實現(xiàn)可觀的系統(tǒng)效益。為此，三菱電機設(shè)計并評測了多種應(yīng)用場合的基于SiC功率器件的逆變器。SiC功率模塊的商業(yè)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(yè)化生產(chǎn)，并主要用于日本市場。此外，SiC MOSFET芯片技術(shù)也得到了進一步改善，1200V SiC MOSFET芯片的開發(fā)路線如圖2所示。

圖1 三菱電機SiC功率模塊產(chǎn)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(fā)路線圖

2015年開始，SiC功率器件開始進入眾多全新應(yīng)用領(lǐng)域。目前這種擴張過程仍在繼續(xù)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(chǎn)品已經(jīng)覆蓋了較廣的電流和電壓范圍。

本文通過在圖1中的產(chǎn)品中選擇三菱電機SiC功率模塊的3種代表性產(chǎn)品，以說明SiC技術(shù)在電力電子系統(tǒng)中的創(chuàng)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(yīng)用在三菱電機全新“Kirigamine”FZ和Z系列變頻空調(diào)中，如圖3所示。PSF15S92F6主要針對空調(diào)、洗衣機、冰箱等家用電器的應(yīng)用而開發(fā)[2]。如圖4所示，其內(nèi)部電路由SiC MOSFET構(gòu)成的三相逆變電路及驅(qū)動保護電路構(gòu)成。封裝外形則如圖5所示。高能效比是變頻空調(diào)系統(tǒng)的一個關(guān)鍵要求，在相同應(yīng)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(diào)器實現(xiàn)了優(yōu)異的能效比。

圖3 基于三菱電機全SiC DIPIPM的“Kirigamine”系列空調(diào)

圖4 PSF15S92F6內(nèi)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(yīng)用優(yōu)勢是在MOSFET開通時二極管反向恢復(fù)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(fù)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(qū)動和保護該器件，PI公司開發(fā)了其專用的柵極驅(qū)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(nèi)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(nèi)部電感小于10 nH，隔離電壓達(dá)到Viso=4 kVAC。如圖9所示，其SiC MOSFET的P側(cè)和N側(cè)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(nèi)部電路框圖

圖10 短路保護柵極驅(qū)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(yīng)用案例。相同應(yīng)用條件下，對比800A/1200V全SiC MOSFET模塊FMF800DX2-24A和相對應(yīng)Si-IGBT模塊的功耗，可看出SiC MOSFET模塊的優(yōu)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(fā)揮這種優(yōu)勢：

a)若保持開關(guān)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(yīng)用領(lǐng)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(guān)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(yīng)用中，這就為減小電感器尺寸（成本）提供了新的空間。

當(dāng)然，在特定應(yīng)用中使用FMF800DX2-24A，可綜合a）和b）兩個優(yōu)勢并可能獲得最大的性能優(yōu)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(fā)的機車牽引系統(tǒng)在日本新干線安裝使用[5]，如圖13所示。這個系統(tǒng)的優(yōu)勢在于其逆變器體積相對傳統(tǒng)逆變器減小了55%，且重量減輕了33%。

圖13 日本新干線上應(yīng)用的第1款基于SiC功率模塊的逆變器

三菱電機新開發(fā)的750 A/3300 V全SiC 2in1模塊，F(xiàn)MF750DC-66A，在參考文獻[6]中有著詳細(xì)介紹，其內(nèi)部包含SiC MOSFET及反并聯(lián)SiC肖特基二極管（SBD）。為了降低模塊封裝內(nèi)部電感（<10 nH）和提高并聯(lián)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(guān)波形的對比分別如圖15和圖16所示。

圖15 導(dǎo)通波形對比

圖16 關(guān)斷波形對比

與Si-IGBT模塊相比，F(xiàn)MF750DC-66A具有更低的開關(guān)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(guān)損耗這一令人興奮的特性可實現(xiàn)前面所提到的幾個改善，如減小逆變器尺寸，或提高系統(tǒng)開關(guān)頻率，或?qū)崿F(xiàn)這兩者的組合，這取決于在特定應(yīng)用中的優(yōu)先級。

為了滿足機車牽引應(yīng)用中的環(huán)境和可靠性要求， FMF750DC-66A已經(jīng)通過了以下認(rèn)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(wěn)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(huán)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(guān)試驗。

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

SiC技術(shù)拓展的研究與開發(fā)

與現(xiàn)有SiC功率模塊設(shè)計相同步，基于SiC功率器件的多種全新應(yīng)用設(shè)備的研發(fā)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(yīng)用是一個很有前景的應(yīng)用方向。參考文獻[7]中報道了300A/1200V SiC MOSFET芯片的試驗生產(chǎn)，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(yè)內(nèi)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(lǐng)域中應(yīng)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(yīng)用而開發(fā)，且具有86 kVA/dm3的業(yè)內(nèi)最高功率密度[8]。

圖18 針對HEV應(yīng)用的功率密度高達(dá)86kVA/dm3的超緊湊型逆變器

SiC技術(shù)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(nèi)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(nèi)置SBD的6500V SiC MOSFET晶圓

圖20 內(nèi)置SBD的6500V SiC MOSFET芯片的漏極特性

這種全新的芯片技術(shù)具有兩個優(yōu)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(xiàn)了高電流密度的模塊設(shè)計。

b）內(nèi)置于MOSFET芯片的SBD實現(xiàn)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(dǎo)通電阻所增加的芯片設(shè)計難度，因為SiC MOSFET的雙極性體二極管能安全地被其內(nèi)置SBD旁路。長期的可靠性試驗結(jié)果表明，這種SiC MOSFET的結(jié)構(gòu)完全能夠避免由堆垛層錯擴展引起的雙極退化效應(yīng)[9]。

總結(jié)與展望

三菱電機是將SiC技術(shù)應(yīng)用于功率模塊的先驅(qū)之一，其SiC功率模塊產(chǎn)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(tǒng)Si-IGBT模塊相比， SiC功率模塊最主要優(yōu)勢是開關(guān)損耗大幅減小。對于特定逆變器應(yīng)用，這種優(yōu)勢可以減小逆變器尺寸，提高逆變器效率及增加開關(guān)頻率。目前，基于SiC功率器件逆變設(shè)備的應(yīng)用領(lǐng)域正在不斷擴大。通過對SiC技術(shù)的深入研究，三菱電機正不斷夯實著未來SiC功率半導(dǎo)體時代的基礎(chǔ)。