轨道牵引用3.3kV SBD嵌入式SiC-MOSFET模块

专访｜Daichi Yosho

PCIM Asia Conference 2024

青年工程师奖获得者

Q能否请您简单介绍一下自己？

A我于2019年和2020年分别获得了日本福冈九州大学航空航天工程学士和硕士学位。自2022年起，我就职于日本福冈的三菱电机功率器件制作所，担任面向铁路应用的高压器件部门的功率半导体器件工程师。

Q您选择该专业/职业的契机是什么？

A我在大学主修航空航天工程，航空航天是一个充满浪漫且颇有裨益的领域，但因为包括推进、材料和控制工程在内的专业过于细分，让我觉得很难掌握多个领域。因此，我选择了功率半导体这一对未来社会有价值的领域，并且在这里我可以专注于深化我的知识。然而，在实际参与之后，我意识到功率半导体也是一个包含各种专业领域的复杂行业。

Q是什么吸引您到三菱电机功率器件制作所工作？

A功率半导体器件是构建节能社会的关键技术，而三菱电机是日本功率器件制造领域的先端企业，我被此深深吸引。此外，三菱电机不仅从事功率半导体器件业务，还涉及多种应用业务。这种广泛的业务范围使得在技术开发中能够产生高度的协同效应，这是我觉得有吸引力的另一个方面。

Q能否请您简单描述一下您的工作内容以及工作感受？

A我负责铁路应用高压功率半导体模块的设计和开发。要制造单个功率模块，需要来自各个领域的专家和专业知识。因此，我觉得这项工作非常深刻和有趣。

Q能否请您介绍一下获奖论文的主要内容？

A我们开发了一款用于铁路应用的3.3kV SBD嵌入式SiC-MOSFET模块。该模块的特点包括能够避免SiC-MOSFET特有的双极退化，并通过明确特定芯片中的浪涌电流集中机制显著提高浪涌电流能力。此外，与传统的SiC模块相比，该模块降低了开关损耗和热阻，从而显著提高了逆变器的输出电流。

Q获得该奖项，您有何感想？

A我很荣幸能获得青年工程师奖。虽然我是获奖者，但这篇论文的成就得益于许多人以有形和无形的方式做出的贡献。我相信，以工程师而非研究人员的名字命名这个奖项，意味着这些成果是众多同事共同努力的结果，我谨借此机会向所有相关人员表示衷心的感谢。

Q作为青年技术人才，请问有什么经验可以和大家分享？

A虽然我作为一名工程师的职业生涯仍处于初级阶段，但我相信，对工程师来说，重要的是拥有广泛的知识和与他人合作的能力。在开发过程中遇到问题时，来自看似无关领域的知识有时也能帮助解决问题，为了掌握这些知识，我发现每天保持对各种技术领域的兴趣很重要。此外，我认为仅靠一己之力是有限的，因此，在解决问题时，让该领域的专家和同事参与协作极其必要。

Q基于三菱电机这个平台，您对未来有何期待和展望？

A三菱电机广泛涉足多种业务，开发和制造用于消费、汽车、工业和铁路应用的产品，这些业务技术的核心是功率模块。因此，我相信，通过开发创新的功率模块，我们可以显著提高其他业务产品的性能，这非常棒。

Q在工作之余，您有什么兴趣爱好吗？

A我的爱好是下将棋，这是一种传统的日本棋盘游戏，与中国象棋有渊源。将棋和象棋的区别在于，在将棋中，你可以将捕获的棋子当作自己的棋子使用，而且棋子的运动在特定区域会发生变化。将棋是一种完全不涉及运气的游戏，这既是它的魅力，也是它的难点所在。我对棋盘游戏很感兴趣，下次去中国的时候，我想尝试下中国象棋。

论文｜

轨道牵引用3.3kV SBD嵌入式SiC-MOSFET模块

Abstract｜摘要

三菱电机新开发了3.3kV金属氧化物半导体场效应管碳化硅模块（SiC-MOSFET），采用了嵌入式肖特基势垒二极管（SBD-Embedded）技术，可以满足铁路应用的高可靠性、高功率和高效率要求。通过将SBD嵌入到MOSFET中，避免了SiC-MOSFET固有的双极退化。通过采用一种新颖的双极模式激活（BMA）元胞结构，实现了足够的浪涌电流能力。与传统的SiC模块相比，电特性有了显著改善，开关损耗降低了58%。此外，MOSFET部分的热阻降低了35%，续流二极管部分的热阻降低了63%。因此，逆变器的输出电流显著增强。

1｜介绍

自20世纪90年代后半期以来，硅基绝缘栅双极晶体管（IGBT）功率半导体已被用于铁路应用。通过各种改进，如减少损耗和采用先进的封装技术，性能逐渐得到改善。然而，硅基功率半导体现在已经接近其物理极限，为了进一步改进，必须采用像SiC这样的宽禁带半导体。SiC功率器件在铁路应用中相对较早，截至2024年，已经在现场应用了大约十年[1][2]。

可靠性是SiC-MOSFET的一个关键指标，其可靠性需要与传统Si-IGBT模块相当，甚至更高，这有更高的难度，因为SiC-MOSFET特有的可靠性问题在Si-IGBT中不存在。其中一个SiC特有的可靠性问题是由于双极退化导致通态电压增加（见图1）。如何防止双极退化是实现高可靠性SiC-MOSFET的关键[3-5]。

与可靠性同样重要的是电气特性的改进，特别是如何减少能量损耗。功率器件中开关损耗和通态损耗的降低可以提高应用系统的效率，这是非常重要的。此外，由于期望将SiC模块应用在高温条件下，改善热特性至关重要。损耗和热特性的改善也有助于提高模块的使用寿命。换句话说，SiC-MOSFET模块的低损耗和低热阻特性有助于实现铁路应用系统的高效率和长寿命。

图1：SiC-MOSFETs体二极管的双极退化

本文提出了一种高可靠性、低损耗、低热阻的3.3kV SBD嵌入式SiC-MOSFET模块，并给出了该模块的技术特点。SiC-MOSFET模块的应用范围已从主逆变器单元扩展到辅助电源单元（APU）、电池充电器和DC-DC转换器。由于每个应用的电流容量不同，需要全面的产品来满足相应的需求，因此，我们扩展了新模块阵容以适应各种应用。作为该系列的一部分，我们主要介绍适用于APU等应用的低电流等级模块。

2｜概述

新开发的模块外观如图2所示。为实现低封装电感和快速开关，采用了LV100封装，这是高压功率模块的新标准封装。该封装与传统的3.3kV全SiC功率模块相同。表1显示了3.3kV SBD嵌入式SiC-MOSFET模块的产品阵容，产品线广泛，包括额定电流800A，400A和200A的产品。

在接下来的章节中，将深入介绍这些新开发产品的可靠性、电气特性和热特性的细节。基于低额定电流的产品对电气特性和热特性进行说明。最后，对这些产品的应用优势加以介绍。

图2：3.3kV SBD嵌入式SiC-MOSFET模块

表1：3.3kV SBD嵌入式SiC-MOSFET产品线

3｜可靠性

3.1｜消除双极退化

为了实现SiC-MOSFET模块的高可靠性，必须克服SiC-MOSFET的一个固有问题，即由体二极管导通引起的双极退化（参见图1）。防止双极退化的一种方法是采用单独的SBD芯片作为续流二极管并进行特殊筛选测试。然而，在高压和大功率场合（芯片面积大且漂移层厚），双极退化的风险会显著增加。在传统的3.3kV SiC-MOSFET模块中，反并联SBD芯片的尺寸需要是MOSFET芯片的1.5倍左右，以保证固有体二极管不被激活[3]。这需要在功率模块内占用宝贵的空间并增加了制造成本。如果将SBD嵌入到MOSFET芯片中，则可以减少所需的芯片面积，并且无需进行特殊的筛选测试。

外部反并联SBD和嵌入式SBD之间的区别解释如下。外部SBD的压降需要低于MOSFET PN结的压降，以防止固有体二极管工作（图3）。随着所需击穿电压的增加，外部SBD的漂移层变厚，压降变大。图3描述了采用外部SBD的传统SiC-MOSFET和SBD嵌入式SiC-MOSFET的原理图。在采用外部SBD的情况下，芯片的总压降施加到固有MOSFET的PN结。相反，在SBD嵌入式MOSFET中，漂移层是共享的，因此漂移层中的压降不会施加到PN结。因此，不需要显著增加芯片面积就有可能抑制固有体二极管的导通。图4显示了通过将SBD嵌入芯片使固有体二极管不被激活的过程。（a）显示了MOSFET和SBD部分芯片截面结构，类似于采用外部SBD芯片。在这种情况下，当SBD部分和漂移层的压降超过固有体二极管的压降时，固有体二极管开始导通。在这里，固有体二极管开始导通的电流密度定义为最大单极性电流密度（JSD）。在（b）中，缩短了MOSFET和SBD的间隔，增大了最大单极性电流密度。在（c）中，通过减小间隔到元胞尺寸大小，可以达到更大单极性电流密度，从而抑制固有体二极管导通。在（c）的情况下，最大单级性电流密度增加到SBD正常工作范围，而体二极管在此工作范围内不会导通。

图3：采用外部SBD的传统SiC-MOSFET

和SBD嵌入式SiC-MOSFET的原理图

图4：将SBD嵌入芯片使体二极管不被激活的过程

3.2｜提高浪涌电流能力

根据已了解到的信息，与使用体二极管的双极性器件相比，嵌入SBD的SiC-MOSFETs具有较低的浪涌电流能力，这是因为嵌入式SBD限制了发生浪涌电流时的电导调制，并导致大电流区域的高导通损耗。虽然SBD嵌入式SiC-MOSFETs不存在双极性导通，在防止双极退化方面是有利的，但它也会导致浪涌电流能力降低。为了解决这些看似矛盾的问题，我们提出了一种新的结构来提高SBD嵌入式SiC-MOSFETs的浪涌电流能力。新结构如图5所示。某些部分填充p体区以使相应的SBD失活，我们将这种新结构称为双极模式激活元胞（bipolar mode activation cell, BMA cell）[6][7]。在实现BMA元胞后，SBD嵌入式SiC-MOSFET模块的浪涌电流能力达到了与采用体二极管工作的SiC-MOSFET模块相似的水平（见图6，显示了800A产品的结果）[8]。作为参考，图6也显示了在初始结温Tj=125℃下，采用Si二极管芯片的600A Si模块的测量结果。即使在初始温度高50K的条件下，SBD嵌入式SiC-MOSFET模块也表现出比传统Si模块更好的浪涌电流能力。下面，我们介绍有关BMA元胞的详细信息。

BMA元胞有两个主要功能。首先，只有在发生浪涌电流的情况下，即在异常条件下有大电流流过时，它才触发固有体二极管的工作。体二极管的导通有助于通过抑制大电流时的导通损耗来增强浪涌电流能力。由固有体二极管的导通导致的双极退化影响可以忽略不计，这是因为它只发生在有限的情况下。BMA元胞的面积约为总芯片有效面积的0.2%，它不影响电特性。自然，体二极管在模块正常工作期间处于非激活状态。图7显示了SBD嵌入式SiC-MOSFETs在Tj=175℃时的I-V特性，无论是否有BMA元胞，在功率模块的安全工作区域内都可以单极性工作。

图5：BMA元胞结构

图6：浪涌正向电流（IFSM）测量结果威布图

图7：SBD嵌入式SiC-MOSFET在Tj=175℃时

的源漏极电流密度和电压波形

图8：浪涌电流能力测试后并联芯片的表面外观

其次，BMA元胞减小了安装在模块内的每个SBD嵌入式SiC-MOSFET芯片之间的特性差异，特别是折返电压（Vsnap, snapback voltage），固有体二极管开始工作时的电压被定义为折返电压。在大电流功率模块中，通常是并联安装多个芯片，功率模块的浪涌电流能力不等于单个芯片浪涌电流能力（IFSM或I2t）的总和。这是因为电流会集中在具有最小折返电压的芯片上，这个芯片从单极性导通到双极性导通发生在所有其它芯片之前。图8（a）证实了这一假设，图8（a）描绘了在评估浪涌电流能力后，没有BMA元胞芯片并联连接的外观。芯片表面存在熔化的铝区域，表明有大电流通过芯片，熔点只存在于一个芯片上，说明电流只集中在一个芯片上，在那里熔化的铝是可见的。折返电压值会受到SiC-MOSFET芯片内置SBD区域宽度的显著影响。由于制造工艺的影响，内置SBD的宽度很难控制完全一致。因此，通过有意地加入体二极管区域，可以使折返电压的差异最小化，使得折返电压可控。使用BMA元胞（见图8（b）），可以在整个芯片表面看到熔化的铝，表明浪涌电流分布均匀。

虽然图8（b）显示浪涌电流均匀分布在所有芯片上，但要始终保持这种状态，需要适当设计BMA元胞面积。这是因为BMA元胞的面积与折返电压之间存在相关性，随着BMA元胞的面积增加，折返电压降低。为了控制折返电压（从而控制浪涌电流能力），有必要确定BMA元胞的面积，以允许在低于最小折返电压的条件下进行双极导通。图9显示了当BMA元胞的面积改变时，浪涌电流能力和电流集中的芯片数量。准备了α和β两种样品，样品中4个芯片并联。样品α和β的BMA元胞的面积不同，样品β的BMA元胞的面积是样品α的2.5倍。对于样品α，因为电流集中在某一个芯片上，所以浪涌电流能力较低。在三个α样品中，发生表面铝熔化的芯片数量越多，换句话说，有电流集中的芯片数量越多，相应的浪涌电流能力也越大。

图9：浪涌电流能力和电流集中的芯片数量关系，

β的BMA元胞面积是α的2.5倍

另一方面，在β中，电流均匀地流过所有芯片，具有高浪涌电流能力。因此，在设计BMA元胞面积为“β”或更大时，不存在浪涌电流能力的问题。虽然图9中的样品数量为每种规格三个，但我们已经对足够数量的模块进行了评估，这些模块采用等效或比β更大的BMA元胞面积的芯片，在该模块评估中，我们确认了电流分布均匀，模块具有足够的浪涌电流能力（参见图6）。

考虑到BMA元胞本身的制造差异性以及分散性，需要确认电流是否均匀分布到所有并联芯片（即具有较高的浪涌电流能力）。为此准备了样品1和样品2用于实验，在两种样品中各有一个芯片的BMA元胞面积是不一样的。样品1中的一个芯片的BMA元胞面积是模块中其它芯片的1.4倍，样品2中的一个芯片的BMA元胞面积是模块中其它芯片的2倍。除例外的一个芯片外，模块中其余芯片的BMA元胞面积统一等于β（见图10上部）。每种类型的样品数量为5个，并测量了这些样品的浪涌电流能力。图10下半部分的结果表明，即使BMA元胞面积有2倍的差异，对浪涌电流能力的影响也不明显。评估测试结束后，拆卸模块，检测芯片表面铝的熔化痕迹。外观与图8（b）相似，可以发现电流并没有集中在BMA元胞面积被故意改变的芯片上。换句话说，这意味着具有内置BMA元胞的SBD嵌入式MOSFET芯片的模块具有稳定的浪涌电流能力，不受BMA单元制造差异的影响。

图10：不同样品的浪涌电流能力结果示意图

4｜电气参数

与传统的全SiC模块相比，新开发的SBD嵌入式SiC-MOSFET模块显著提高了开关特性。图11为新开发模块（FMF400DC-66BEW）与传统模块（FMF375DC-66A）的开关波形对比图。为了公平比较，开关条件保持一致，漏极-源极电压VDS=1800V，漏极电流ID=375A，换流回路杂散电感LS=40nH，栅极电阻RG(ON)=1.5Ω，RG(OFF)=3.0Ω，工作温度Tj=175℃。从开关波形中，可以观察到以下两个特征。

首先，与传统模块相比，新开发模块的开通和关断延迟时间减少（即更高的开关速度）。开关速度的提高是通过优化芯片设计来实现的，减小输入电容（Ciss）和增加跨导（gm）。通过优化沟道布局，改善了跨导，提高了dID/dt。Ciss是在漏源电压VDS=10V，栅源电压VGS=0V，频率f=100kHz的条件下测量的。如图12所示，通过确定额定电流附近的dID /dVGS来测量gm。表2提供了Ciss和gm的测量结果，表明与传统的FMF375DC-66A相比，新型FMF400DC-66BEW的Ciss降低了48%，gm增加了41%。因此，新开发的模块减少了开通和关断延迟时间，有助于减少开关损耗。

图11（a）：开通和二极管关断波形（VDD=1800V，ID=IS=375A，RG(ON)=1.5Ω，RG(OFF)=3.0Ω，LS=40nH，Tj=175℃）

图11（b）：关断波形（VDD=1800V，ID=375A，RG(ON)=1.5Ω，RG(OFF)=3.0Ω，LS=40nH，Tj=175℃）

表2：输入电容和互导参数对比

图12：漏极电流（ID）和栅极电压（VGS）关系

（漏源电压VDS=20V，Tj=25℃）

图13：开关损耗对比

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

其次，SBD嵌入式SiC-MOSFET模块在二极管关断期间（PN二极管中提到的反向恢复）发射载流子更少。原因是它利用嵌入式SBD，没有反向恢复电流（只有位移电流用于充电和放电输出电容）。如果采用体二极管，则二极管关断时发射载流子的数量会更高，即产生反向恢复电流。在常规模块中，连接外部SBD，但它不能完全抑制少数载流子注入产生的反向恢复电荷，这就产生了少量的反向恢复电流（见图11（a）的下半部分）。这就是为什么新模块具有较低的二极管关断损耗的原因。另外，由于二极管关断时的电流（反向恢复电流）会导致对管导通电流的增加。换句话说，SBD嵌入式SiC-MOSFET还实现了开通时刻开关损耗的降低，因为它没有二极管反向恢复电流。

图13显示了SBD嵌入式SiC-MOSFET（FMF400DC-66BEW）和传统全SiC模块（FMF375DC-66A）的开关损耗比较。开关条件与图11一致。SBD嵌入式SiC-MOSFET模块实现了58%的总开关损耗降低。

5｜热参数

热特性对于SiC模块来说是至关重要的，因为它是为在高温下工作而设计的。图14所示为模块的横截面。为了在高温下工作（最高结温Tjmax=175℃），芯片采用银（Ag）烧结键合，端子通过超声波键合连接到绝缘基板上。由于采用了改进的绝缘基板和焊接材料，新开发的模块具有较低的热阻（Rth）。此外，与800A额定值模块相比，低额定电流值模块（400A额定值和200A额定值）的芯片数量减少，从而允许芯片布局的灵活性。因此，通过优化芯片布局，可以进一步降低热阻。为了能够确定低热阻的芯片布局，我们对芯片之间的热干扰进行了仿真。图15显示了热干扰示意图和热仿真结果的示例。热阻随多个芯片之间距离的变化而变化。如果芯片靠得太近，热干扰会增加，从而导致更高的热阻。相反，如果它们相距太远，则芯片会靠近模块的边缘，从而限制散热，增加热阻。因此，有必要设计一个最佳的芯片间距。此外，我们确认了模块最佳芯片距离的热阻测量结果与仿真结果（如图15所示）几乎相同。图16比较了传统模块和新开发模块之间的热阻值，表明新开发模块MOSFET部分热阻降低了35%，续流二极管部分热阻降低了63%。

图14：嵌入SBD的SiC-MOSFET模块横截面图

图15：芯片间的热干扰示意图

和改变多芯片之间距离时热干扰的仿真结果

图16：热阻对比

6｜应用好处-变流器输出电流仿真

功率模块性能的提高直接关系到应用效率。这里，我们使用Melcosim功率损耗仿真软件[9]计算变流器输出电流对频率依赖性。变流器输出电流通常被用作评估设备整体性能的基准。图17显示了变流器输出电流的频率依赖性。蓝线为新开发的SBD嵌入式SiC-MOSFET模块FMF400DC-66BEW，红线为常规的全SiC模块FMF375DC-66A。仿真条件为：电源电压VDD=1800V，功率因数P.F=0.85，散热器温度TS=80℃，调制比=1。栅极驱动条件按照每个功率模块的推荐条件。

采用新开发功率模块的变流器输出电流在整个频谱范围内超过传统的全SiC模块。值得注意的是，在3kHz的频率下，采用新功率模块变流器的输出电流比传统的全SiC模块高40%以上。这一信息证实，新的模块提供了卓越的变流器输出。也就是说，新开发的模块不仅在主牵引系统中，而且在通常高频运行的APU等，都有助于显著提高效率。

图17：变流器输出电流仿真结果

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

7｜结论

比Si-IGBT效率更高的SiC-MOSFET功率模块在铁路领域的应用正在不断扩展。SiC-MOSFET自身的优越特性有助于实现产品的高可靠性、低能量损耗和低热阻。考虑到这些因素，三菱电机开发了下一代SBD嵌入式SiC-MOSFET模块，并提供一系列电流等级的产品。通过将SBD嵌入到MOSFET中，可以防止双极退化，并确保高可靠性。通过引入一种BMA元胞的新结构，解决了SBD嵌入式SiC-MOSFET浪涌电流能力弱的问题，并进一步证实了BMA元胞结构不受制造差异性的影响。与传统模块相比，电气特性的改进使开关损耗降低了58%，结构部件的改进和热设计的优化显著降低了热阻，特别是低电流等级产品的热阻。电学特性和热阻方面的改进也显著提高了变流器的输出电流，使其在高频范围内应用更具有优势。

<关于三菱电机>

三菱电机创立于1921年，是全球知名的综合性企业。截止2024年3月31日的财年，集团营收52579亿日元（约合美元348亿）。作为一家技术主导型企业，三菱电机拥有多项专利技术，并凭借强大的技术实力和良好的企业信誉在全球的电力设备、通信设备、工业自动化、电子元器件、家电等市场占据重要地位。尤其在电子元器件市场，三菱电机从事开发和生产半导体已有68年。其半导体产品更是在变频家电、轨道牵引、工业与新能源、电动汽车、模拟/数字通讯以及有线/无线通讯等领域得到了广泛的应用。