【導讀】三菱電機開發了工業應用的NX封裝全SiC功率模塊，采用低損耗SiC芯片和優化的內部結構，與現有的Si-IGBT模塊相比，顯著降低了功率損耗，同時器件內部雜散電感降低約47%。
三菱電機開發了工業應用的NX封裝全SiC功率模塊，采用低損耗SiC芯片和優化的內部結構，與現有的Si-IGBT模塊相比，顯著降低了功率損耗，同時器件內部雜散電感降低約47%。
三菱電機從1994年開始研發SiC-MOSFET，經過試制驗證，目前正處于普及擴大的階段。SiC-MOSFET能夠使系統整體的效率最大化，具有濾波器等被動元件尺寸減小和冷卻系統小型化等各種優點，逐漸有替換Si-IGBT的趨勢。但是，SiC-MOSFET與Si-IGBT相比，由于開關速度快造成浪涌電壓高，超過器件額定電壓的可能性提升。為了使浪涌電壓在器件的額定電壓內，其中一種解決方案是增加柵極電阻并減慢開關速度，但這種解決方法沒有利用SiC-MOSFET低損耗工作的優點。目前工業用Si-IGBT模塊中廣泛采用NX封裝，在考慮從Si-IGBT易替代性的同時，還可以利用SiC-MOSFET的特點，開發出能夠為系統高效率化做出貢獻的產品。圖1表示外觀圖，圖2表示內部結構圖。
圖1：產品外觀
圖2：內部結構圖
產品特點（1200V/600A 2in1，1700V/600A 2in1） 采用第2代平面柵SiC-MOSFET（不搭載SBD）； 采用行業標準封裝（NX封裝）； 通過封裝的低電感化（Ls=9nH），實現低損耗； 考慮封裝內芯片布局，優化內部芯片電流均衡；
一般與開關速度有很大關系的浪涌電壓由下式表示：
Ls：回路雜散電感；dID/dt：電流變化率；
在式（1）計算出的ΔVDS加上母線電壓VDD的電壓，需要設計不超過器件的額定電壓，但是為了抑制ΔVDS，需要增大RG以抑制開關速度，或者使電路雜散電感Ls最小化。開關速度和回路電感的影響如圖3波形所示。回路電感包括連接器件和電容器的外部電路電感，以及器件內部的雜散電感。外部回路雜散電感可通過采用疊層母排結構或使用緩沖電路來降低，NX-SiC模塊通過內部疊層設計，使Ls最小化（Ls≒9nH）（圖2），來實現高速開關。
圖3：關斷波形的示意圖
圖4、圖5顯示了與傳統NX封裝Si-IGBT特性比較的結果：
圖4：關斷浪涌電壓 vs Eoff
圖5：損耗計算結果
在圖4中，即使將SiC-MOSFET安裝在傳統Si-IGBT使用的NX封裝中（紅線左上角），當調整柵極電阻以保持電壓低于1700V時，Eoff也只能降低到約40mJ。在Si-IGBT中，由于di/dt比較緩慢，產生的浪涌電壓不超過1700V，雖無規定柵極電阻的最小值，但即使在0Ω時進行開關Eoff也高達約150mJ（紅線右下方）。
為了在SiC-MOSFET中實現Eoff的進一步改善，需要減小柵極電阻進行開關切換。從公式（1）中可得知降低封裝的雜散電感的重要性。實際上，采用低電感封裝的SiC-MOSFET可以將柵極電阻降至最低，并將關斷電壓保持在額定電壓1700V以下，Eoff為10mJ，約為傳統NX封裝的1/4。SiC-MOSFET在模擬逆變器工作的損耗計算結果顯示，搭載在傳統封裝上的損耗降低約為63%，搭載在低電感封裝上的損耗降低約為72%。芯片溫度可以低62K（圖5）。在與Si-IGBT相同的芯片溫度工作時，可將載波頻率提高約5倍（7kHz→35kHz），芯片的低損耗特性和高頻化有利于冷卻系統和濾波器等被動元件的小型化。
NX SiC使用效果 通過采用低電感封裝，與Si-IGBT相比，功率損耗可降低72%； 通過實現高頻開關，為設備小型化、低成本化做出貢獻； 采用行業標準封裝，便于替換Si-IGBT模塊
工業級全SiC-MOSFET以電源行業為中心被廣泛用于各種應用。不僅改善了芯片特性，還開發了能夠最大限度發揮芯片性能的封裝，從而提高系統整體的效率及降低組件成本等。未來，我們將繼續開發能實現系統節能的功率模塊。
文章來源：三菱電機半導體
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