碳化硅模块以及难点解析

电子发烧友网报道（文/梁浩斌）几乎与电动汽车产业同步，碳化硅器件的发展也在近十多年间高速发展。作为第三代半导体，采用碳化硅材料所制造的半导体器件在电气特性上的优异表现，让它在电动汽车应用上受到了业界关注，随着市场对电动汽车长续航、高压电气架构、快充等需求，碳化硅正在电动汽车上加速普及。
 
近几年可以看到国内多家厂商，包括整车厂、功率器件厂商等都在陆续推出车规级碳化硅功率模块产品，同时也有国内厂商推出车规碳化硅MOSFET产品，那么碳化硅模块与碳化硅MOSFET有什么区别？
 
碳化硅模块和碳化硅MOSFET的区别
 
一般我们说碳化硅MOSFET的时候是指碳化硅MOSFET单管，即将碳化硅MOSFET芯片封装在一个独立的封装中，比如典型的TO-220、TO-247封装。碳化硅MOSFET单管通常有三个引脚，分别对应输出端的Drain（漏极）、输入端的Source（源极）和控制端的Gate（栅极）。
 
而当应用在大电流电路中时，出于对损耗以及散热性能的要求，由多个单管、二极管等元件封装在一起形成模块的产品应运而生。碳化硅模块又分为碳化硅 MOSFET + 碳化硅 SBD构成，以及只由多个碳化硅单管构成的模块两种，而常用的结构又有H桥、半桥、全桥等。
 

 

图源：赛米控

根据赛米控的数据，采用全碳化硅模块在最大开关频率下能够最多相比同规格硅基IGBT功率模块降低85%的开关损耗。而即使相比碳化硅MOSFET单管，碳化硅模块的工作效率也由于在封装中的寄生电感更低，开关损耗更低，因此工作效率、工作开关频率更高，可以帮助减少无源器件的尺寸，以及整体模块的尺寸。
 
不过，在前面提到碳化硅模块的两种形式之外，也有车企以及电控供应商采用单管并联的方案来设计功率模块。比如第一款大规模应用碳化硅功率器件的电动车型特斯拉Model 3上，采用了一种名为TPAK的封装模块并联，在主驱逆变器功率模块上共有24颗TPAK，采用单管并联的方式排列，每颗TPAK封装中有两颗碳化硅MOSFET芯片，功率模块整体有共48颗碳化硅MOSFET。
 
另外阳光电源此前推出的双电机控制器中也采用了并联TPAK的方案，并兼容硅基以及碳化硅基功率半导体。
 
碳化硅模块的主要难点
 
碳化硅模块主要难点可以分为两大方面，一是引线键合、二是散热。
 
引线键合是在一种在封装中将多个器件之间进行互连的方式，一般使用细金属线，利用热、压力、超声波等使金属引线与基板焊盘紧密焊合，但在模块中复杂的互联结构会产生较大的寄生电容或寄生电感。由于碳化硅器件具有高频特性、栅极电荷低、开关速度快等特性，在实际应用中容易出现电压过冲和振荡现象，造成器件电压应力、损耗增加和电磁干扰等问题。
 
因此在互连方面，目前正在从传统的铝线键合以及超声焊接，逐步转向铝包铜线、铜线键合等方式，同时引线框架也采用银烧结技术来代替传统的铅/锡合金焊。
 
在散热方面，尽管碳化硅器件可以工作在更高的温度，理论最高工作温度可以超过500℃，但与此同时碳化硅功率模块在相同功率等级下体积大幅降低，也就是功率密度较高，因此对散热的要求其实反而更高了。即使是耐热性能较好的碳化硅器件，在工作温度过高的情况下也会造成性能下降，加上封装材料的热膨胀系数失配等，容易造成可靠性隐患。
 
所以目前在碳化硅模块散热上，通过优化传热距离以及传热面积的封装，来提高散热性能，比如通过双面散热、降低结构层数等方式来提升散热效率。
 
小结：
 
随着碳化硅模块产品大规模落地，新能源汽车应用案例的增多，碳化硅模块会在不久的将来成为电动汽车的标配。