三菱电机SiC功率模块的发展里程碑

针对广泛应用领域的SiC功率模块

面向可持续未来的创新型功率器件

J. Yamada, 三菱电机功率器件制作所

E.Thal, 三菱电机欧洲公司

三菱电机SiC功率模块的发展里程碑

如图1所示，三菱电机的SiC功率模块目前正处于开始于2010年前后的SiC商业化第1个阶段。然而，早在20多年前，三菱电机就开始了针对SiC技术的开发 [1]。在1994年至2004年的第1个10年中，其研发工作主要针对SiC MOSFET和SiC肖特基二极管等芯片技术本身。此后，在2005年至2009年间，三菱电机将开发重点集中到了应用SiC功率模块于逆变器中，以实现可观的系统效益。为此，三菱电机设计并评测了多种应用场合的基于SiC功率器件的逆变器。SiC功率模块的商业化阶段开始于2010年至2014年间。在此期间，三菱电机推出了多种类型的全SiC功率模块和混合SiC功率模块。同时基于三菱电机SiC功率模块的逆变器开始第1批工业化生产，并主要用于日本市场。此外，SiC MOSFET芯片技术也得到了进一步改善，1200V SiC MOSFET芯片的开发路线如图2所示。

图1  三菱电机SiC功率模块产品分布（X轴：额定电流(A)；Y轴：电压等级）

图2  1200V SiC MOSFET芯片开发路线图

2015年开始，SiC功率器件开始进入众多全新应用领域。目前这种扩张过程仍在继续着，甚至还加快了速度。如图1所示，目前三菱电机的SiC功率模块产品已经覆盖了较广的电流和电压范围。

本文通过在图1中的产品中选择三菱电机SiC功率模块的3种代表性产品，以说明SiC技术在电力电子系统中的创新潜力：

• 15A/600V 全SiC 超小型DIPIPM，型号PSF15S92F6

• 800A/1200V 全SiC 2in1模块，型号FMF800DX2-24A

• 750A/3300V 全SiC 2in1模块，型号FMF750DC-66A

15A/600V 全SiC超小型DIPIPM（PSF15S92F6）

这款15A/600V 全SiC超小型DIPIPM于2016年10月推出，并应用在三菱电机全新“Kirigamine”FZ和Z系列变频空调中，如图3所示。PSF15S92F6主要针对空调、洗衣机、冰箱等家用电器的应用而开发[2]。如图4所示，其内部电路由SiC MOSFET构成的三相逆变电路及驱动保护电路构成。封装外形则如图5所示。高能效比是变频空调系统的一个关键要求，在相同应用条件下，与采用相同模块封装的15A/600V Si-IGBT DIPIPM相比，这款全SiC DIPIPM的功耗降低了70%，如图6所示。采用PSF15S92F6之后，全新的“Kirigamine“系列空调器实现了优异的能效比。

图3  基于三菱电机全SiC DIPIPM的“Kirigamine”系列空调

图4  PSF15S92F6内部电路框图

图5  PSF15S92F6封装外形

图6  15A/600V  Si-IGBT超小型DIPIPM与全SiC超小型DIPIPM功耗对比

如图7所示，全SiC超小型DIPIPM的另一个应用优势是在MOSFET开通时二极管反向恢复更平滑，辐射噪声显著降低，从而放宽了对EMI滤波器的要求。

图7   FWDi反向恢复波形及EMI改善

800A/1200V 全SiC 2in1模块（FMF800DX2-24A）

2015年4月，Bodo’s Power上报道了三菱电机1款800 A/1200 V的全SiC 2in1模块（FMF800DX-24A）[3]。为了有效地驱动和保护该器件，PI公司开发了其专用的栅极驱动器[4]。三菱电机最近推出了这款800A/1200 V全SiC模块的升级版本，具体型号为FMF800DX2-24A。与旧型号相比，其内部采用了相同的低损耗SiC MOSFET芯片组，但是封装有所变更，如图8所示；新封装内部电感小于10 nH，隔离电压达到Viso=4 kVAC。如图9所示，其SiC MOSFET的P侧和N侧均采用了实时控制电路(RTC)。此电路采用MOSFET芯片中集成的电流传感器来检测短路，并通过快速抑制栅极电压来高效地进行短路电流限制，具体如图10和图11所示。

图8  800A/1200V 全SiC 2in1模块FMF800DX2-24A

图9  FMF800DX2-24A内部电路框图

图10  短路保护栅极驱动电路推荐

图11  RTC动作期间的短路波形

图12给出了110kW逆变器的应用案例。相同应用条件下，对比800A/1200V 全SiC  MOSFET模块FMF800DX2-24A和相对应Si-IGBT模块的功耗，可看出SiC MOSFET模块的优势非常明显[1]。

图12  800A/1200V Si-IGBT模块与全SiC MOSFET模块的功耗对比

有两种可行方式可充分发挥这种优势：

a)若保持开关频率相同，与Si-IGBT模块相比，采用SiC MOSFET模块逆变器的功耗大幅降低，且逆变器的效率得到提高，因此，这为通过减小散热片尺寸来缩小逆变器体积提供了新的自由度，也对于高功率密度要求的应用领域具有极大吸引力，特别是逆变器安装空间有限时的场合。

b）若保持逆变器的功耗同一水平，即逆变器效率和散热器尺寸保持不变，由于SiC MOSFET模块开关频率相对Si-IGBT模块可以提高3~5倍，因此，在配有大电感器等元件的应用中，这就为减小电感器尺寸（成本）提供了新的空间。

当然，在特定应用中使用FMF800DX2-24A，可综合a）和b）两个优势并可能获得最大的性能优势。

750A/3300V 全SiC 2in1模块（FMF750DC-66A）

2015年6月，第1款基于全SiC功率模块，并由三菱电机开发的机车牵引系统在日本新干线安装使用[5]，如图13所示。这个系统的优势在于其逆变器体积相对传统逆变器减小了55%，且重量减轻了33%。

图13  日本新干线上应用的第1款基于SiC功率模块的逆变器

三菱电机新开发的750 A/3300 V全SiC 2in1模块，FMF750DC-66A，在参考文献[6]中有着详细介绍，其内部包含SiC MOSFET及反并联SiC肖特基二极管（SBD）。为了降低模块封装内部电感（<10 nH）和提高并联芯片之间良好的均流，这款模块采用了一种被称为LV100全新的封装，如图14所示。

图14  采用LV100封装的750A/3300V 全SiC 2in1功率模块

750A/3300V Si-IGBT模块和FMF750DC-66A的开关波形的对比分别如图15和图16所示。

图15  导通波形对比

图16  关断波形对比

与Si-IGBT模块相比，FMF750DC-66A具有更低的开关损耗，其Eon相对降低了61%，Eoff则相对减小了95%。SiC功率器件低开关损耗这一令人兴奋的特性可实现前面所提到的几个改善，如减小逆变器尺寸，或提高系统开关频率，或实现这两者的组合，这取决于在特定应用中的优先级。

为了满足机车牵引应用中的环境和可靠性要求， FMF750DC-66A已经通过了以下认证实验：

• Vds=2810 V, Vgs=-10 V, Tj=175 °C条件下1000小时的HTRB试验；

•宇宙辐射稳定性试验；

• Vgs=+/-20V, Vds=0 V, Tj=175 °C条件下1000小时的 HTGB试验；

• Tj (max)=175°C下的功率循环试验；

• Ta=85°C, RH=85 %, Vds=2100 V, Vgs=-10 V条件下1000小时的 H3TRB试验；

• Vds=1650 V, Id=354 A, fo=20 Hz, fc=1 kHz条件下1500小时的开关试验。

因此， FMF750DC-66A适用于机车牵引系统得到验证。这款全新的全SiC功率模块的开关损耗比传统Si-IGBT功率模块的降低了大约80%。与现有采用硅器件的机车牵引系统相比，采用FMF750DC-66A逆变器的总功耗可降低30%。

SiC技术拓展的研究与开发

与现有SiC功率模块设计相同步，基于SiC功率器件的多种全新应用设备的研发也在进行中，如图1所示。

SiC功率器件在新能源汽车动力传动中的应用是一个很有前景的应用方向。参考文献[7]中报道了300A/1200V SiC MOSFET芯片的试验生产，如图17所示。该芯片具有10x10mm²的尺寸，额定Ron=5.9mΩcm²@Vg=15 V，Ids=300A。尽管这是两年前的研究成果，但该芯片仍然是业内尺寸最大的1200V SiC MOSFET芯片（截止至2017年9月）。

图17  300A/1200V SiC MOSFET芯片

三菱电机另一个在新能源汽车领域中应用SiC功率器件的开拓性案例如图18所示。这款体积仅为275x151x121mm³的超紧凑型430kVA逆变单元是针对混合动力汽车应用而开发，且具有86 kVA/dm³的业内最高功率密度[8]。

图18  针对HEV应用的功率密度高达86kVA/dm³的超紧凑型逆变器

SiC技术另一重要的研究方向是拓展SiC功率器件的阻断电压。参考文献[9]提出内置SBD的8.1x8.1 mm² 6500V SiC MOSFET芯片已研制成功，如图19和图20所示。

图19  内置SBD的6500V SiC MOSFET晶圆

图20  内置SBD的6500V SiC MOSFET芯片的漏极特性

这种全新的芯片技术具有两个优势：

a）SBD与SiC MOSFET集成在同一芯片上，可大幅减小功率模块对有源芯片面积的需要。文献[9]中的案例说明了相比采用独立SBD芯片的功率模块，单一芯片方案模块的芯片安装面积的缩减因子为3~4，从而实现了高电流密度的模块设计。

b）内置于MOSFET芯片的SBD实现了MOSFET双向无退化的全单极运行，可以降低寄生二极管工作时的导通电阻所增加的芯片设计难度，因为SiC MOSFET的双极性体二极管能安全地被其内置SBD旁路。长期的可靠性试验结果表明，这种SiC MOSFET的结构完全能够避免由堆垛层错扩展引起的双极退化效应[9]。

总结与展望

三菱电机是将SiC技术应用于功率模块的先驱之一，其SiC功率模块产品线涵盖额定电流15A~1200A及额定电压600V~3300V，目前均可提供样品。与传统Si-IGBT模块相比， SiC功率模块最主要优势是开关损耗大幅减小。对于特定逆变器应用，这种优势可以减小逆变器尺寸，提高逆变器效率及增加开关频率。目前，基于SiC功率器件逆变设备的应用领域正在不断扩大。通过对SiC技术的深入研究，三菱电机正不断夯实着未来SiC功率半导体时代的基础。