全新碳化硅MOSFET封装技术提升电力模块性能

说到减少碳化硅MOSFET开关损耗，完全有可能，但让电力模块在运行时保持高开关速度，那可不是一件轻松的事。

 

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我们得接受这个现实：电力模块从依赖硅IGBT技术转向碳化硅MOSFET技术的趋势是挡不住的。可问题是，硅IGBT那套行事方式里的一些老旧偏好，比如某些特定的形状因素，还在阻碍碳化硅的商业化步伐。因为这些老旧的设计往往会导致较高的寄生电感。幸好，三菱电机搞出了一种改良的NX封装，专门用于碳化硅MOSFET，里面还带有一套巧妙的母线结构。

 

硅IGBT的芯片技术已经发展到了一个瓶颈，新一代产品相比上一代的提升已经小巫见大巫了，也就是说，新产品已经越来越接近于材料物理极限了。

宽禁带半导体像碳化硅MOSFET，它们提供了一个在整体半导体功率损耗上大幅度减少的机会。用碳化硅MOSFET来减损，一部分得益于降低开关损失的可能，同时提高开关频率。这样一来，过滤器组件可以做得更优，相应的损耗也能降下来，系统的总损耗也就跟着减少了。

 

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再说说挑战吧，碳化硅MOSFET封装要考虑的点可不少。

 

碳化硅MOSFET比硅IGBT开关得更快，减少开关损耗是有希望的。但要在电力模块实际运作时达到高开关速度，这里面有难度。

 

开关超调电压是个问题：MOSFET关断时的电压超调(∆VDS)其实就是电力模块封装里的寄生电感(Ls)和漏电流变化率(dID/dt)搞的鬼。封装内部的电感越大，允许的最大(dID/dt)就越低。

还有内部电流平衡问题：电力模块能处理多大的电流，关键在于能有多少芯片在封装里并行。在静态和动态操作期间，保持芯片间漏电流的均匀分布至关重要。于是，设计师们就得巧妙设计电力模块的封装，确保每个芯片都能得到合理的电流平衡。

至于形状因素偏好和挑战，传统的650V、1200V或1700V级别的半桥硅IGBT模块，有的产品电流等级能达到好几百安培，它们普遍采用NX封装，这种设计在工业电力转换领域用了好几年。理想情况下，保持现有的电力模块形状因素(比如成熟的NX封装)是最好不过了。

 

但是，传统的NX封装内部电感大概20nH，对于碳化硅来说不太行。再来，如上图，传统NX封装需要硅IGBT芯片沿着电力模块的长轴排列。这样芯片间的动态电流共享就不理想，这对想直接用碳化硅的设计师来说是个大难题。

 

但好在有适用于碳化硅的低电感NX封装。NX封装的内部格局已经为了适应碳化硅而做了改进，下图展示了改良后NX封装的内部剖面图。

 

DC+和DC-母线是“层压结构”，它们尽量贴近放置，还有绝缘层隔开，目的是最大化磁场互相抵消。而且DC+和DC-母线是直接粘到基板上，这样就避免了使用导线进行连接导致额外寄生电感的问题。

 

 

与常规NX设计用硅IGBT不同，芯片不是沿模块长轴排列。工程师们还开发了一个优化的电路图样，目的是让不同芯片之间的电流分享更加理想。改良后的低电感NX模块测出来的内部电感只有9nH，比常规NX电力模块减少了大概47%的寄生电感。

 

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现在，NX碳化硅模块已经有1700V/600A (FMF600DXE-34BN)和1200V/600A (FMF600DXE-24BN) 的型号了。这两种设备都采用了半桥拓扑(2合1配置)。电力模块包括了陶瓷基板(AlN基板)并用硅胶进行封装。这些模块都是基于三菱第二代碳化硅芯片技术的。

 

性能基准测试, 咱们可以这么搞：

 

首先得掌握，我们用的这新版的碳化硅NX模块到底牛在哪儿。得比较一下改进前后的情况： 改进的NX封装效果如何，和普通NX封装相比有啥区别。碳化硅MOSFET芯片技术本身，和以前的硅IGBT技术比起来，到底提升了多少。

咱们看图7，对比一下关键的数据点——收集一下感应电压超调，比如碳化硅MOSFET的VDS (V)和IGBT的VCE (V)，还有关断开关能量(Eoff [mJ/脉冲])。设定一下场景，比如电压1000V，电流600A，温度150°C，这样从图7里能得出点啥呢?

 

 

对于常规NX封装来说，红线显示的是第七代1700V的硅IGBT和考虑普通NX封装(LS 大约是20nH)的1700V第二代碳化硅MOSFET的VCE (V)。用的是同一个包装，碳化硅MOSFET能减少关断损耗(Eoff)，不过，电压超调就得小心点儿，别超出安全边际，否则会进入RBSOA(就是一个不太安全的操作区域)。

现在再看改进后的低电感NX封装，这回是蓝线显示的1700V碳化硅MOSFET的VDS。显而易见的是，RBSOA能保持在安全范围内，对Eoff也没啥影响。电感值LS=9nH的情况下，关断门电阻可以选得更低了。

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接下来聊聊第二个项目，如图它对比了第七代1700伏硅IGBT(就是常规NX封装的)和第二代碳化硅MOSFET(无论是传统的还是改进后的低电感NX封装)。

 

咱们从图里可以得出的结论是，用上了这个新出炉的低电感SiC MOSFET，保持NX封装的外观不变，就能比硅IGBT模块减少72%的功率损耗。因此，开关频率得以提高5倍，这对滤波器来说简直就是个大优化。同时，最高结温也能保持在规定范围以下。

 

提高功率损失性能，这对于保持竞争力、给终端用户带来经济效益都至关重要。每推出新一代的硅IGBT，都是比上一代功率损失性能更强。但是，硅IGBT的发展快到头了，碳化硅MOSFET这块儿就越发吸引人眼球。

 

现在最后一个障碍，就是得让SiC的电力模块形状因子和硅IGBT的一样。三菱电机推出的这个升级版低电感NX封装和第二代SiC MOSFET，就是为了解决这个难题，充分满足各种电力转换的需求。