三菱电机开发了首款6.5kV全SiC(Silicon Carbide)功率模块.doc

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1、三菱电机开发了首款6.5kV全SiC(Silicon Carbide)功率模块摘 要三菱电机开发了首款6.5kV全SiC(Silicon Carbide)功率模块，采用高绝缘耐压HV100标准封装(100mm140mm)。通过电磁仿真和电路仿真，优化了HV100封装的内部设计，并通过实际试验验证了稳定的电气特性。6.5kV HV100全SiC功率模块为了提高功率密度，将SiC SBD(SchottkyBarrierDiode)与SiC MOSFET芯片集成在一起。在续流时，集成的SiC SBD会导通，而SiC MOSFET的寄生体二极管不会导通，所以避免了双极性退化效应发生。本文对比了Si I

2、GBT功率模块(Si IGBT芯片和Si二极管芯片)、传统全SiC MOSFET功率模块(SiC MOSFET芯片，无外置SBD)和新型全SiC MOSFET功率模块(SiC MOSFET和SiC SBD集成在同一个芯片上)，结果表明新型全SiC MOSFET功率模块在高温、高频工况下优势明显。1、引 言SiC材料具有优异的物理性能，由此研发的SiC功率模块可以增强变流器的性能1-2。相对Si芯片，全SiC芯片可以用更小的体积实现更高耐压、更低损耗，给牵引变流系统和电力传输系统的研发设计带来更多便利。3.3kV全SiC功率模块已经在牵引变流器中得到应用，有着显著的节能、减小变流器体积和重量等作

3、用3-4。6.5kV Si IGBT模块已经用于高铁和电力传输系统，这些市场期待6.5kV SiC功率模块能带来更多好处。基于此，三菱电机开发了6.5kV全SiC MOSFET功率模块5-7，其采用HV100标准封装8，如图1所示。这个封装为方便并联应用而设计，电气稳定性显得尤为重要。本文介绍了6.5kV新型全SiC MOSFET功率模块的内部结构和电气特性，相对于传统的Si IGBT模块、传统全SiC MOSFET功率模块，新型全SiC MOSFET功率模块在静态特性、动态特性和损耗方面优势明显。2、6.5kV新型SiC MOSFET功率模块特性2.1 集成SiC SBD的SiC-MOSFE

4、T芯片特性HV100封装6.5kV新型全SiC MOSFET功率模块采用SiC MOSFET和SiC SBD一体化芯片技术，最高工作结温可达175。模块设计中的一个重要难点是避免SiC MOSFET的寄生体二极管（PIN二极管）导通，一旦PIN二极管中有少子（空穴）电流流向二极管的阴极（SiC MOSFET的漏极），因为SiC芯片外延层特性，双极性退化效应发生的可能性就会增加。在续流状态下，SiC SBD的正向饱和压降在全电流范围内比SiC MOSFET的寄生体二极管要低。独立放置的SiC MOSFET 和SiC SBD芯片如图2（a）所示，SiC SBD的面积是SiC MOSFET芯片面积的

5、3倍；如果将SiC SBD集成在SiC MOSFET芯片上面，如图2（b）所示，总面积是单个SiC MOSFET芯片面积的1.05倍。集成在SiC MOSFET芯片上面的SiC SBD采用垂直元胞结构，在续流时承载全部反向电流，同时使SiC MOSFET芯片的寄生体二极管不流过电流，从而消除双极性退化效应。如图2所示，由于芯片面积减小，模块整体体积就可以减小。相对于传统的Si IGBT模块和传统全SiC MOSFET功率模块，采用相同HV100封装的新型全SiC MOSFET功率模块可以实现业界最高的功率密度。2.2 新型SiC MOSFET功率模块的优化设计6.5kV新型全SiC MOSFE

6、T功率模块内部采用半桥拓扑，一般的大功率应用可以采用并联连接来提高输出功率。高电压功率模块在高频下运行，需要考虑模块自身的寄生电容、寄生电感和寄生阻抗等。3D电磁仿真是验证内部封装结构和芯片布局的一种有效方法。电磁干扰可能带来三种不良的影响：一是开关过程中的电流反馈；二是上、下桥臂开关特性不一致；三是栅极电压振荡。电磁干扰会增加模块内部功率芯片布置、绑定线连接及其他电气结构设计的复杂性。我们构建了6.5kV新型全SiC MOSFET功率模块的内部等效电路和芯片模型，通过3D电磁仿真和电路仿真，验证了功率模块设计的合理性。2.2.1优化开关速度如果在模块封装设计时没有考虑电磁干扰，在实际工况中，

7、就会产生开关过程中的电流反馈，使芯片的固有开关速度发生变化，进而可能造成上桥臂和下桥臂的开关速度不一致。负的电流反馈可以降低芯片的开关速度，导致芯片的开关损耗增加，因此开关速度的不平衡可以导致模块内部各个芯片的热分布不一致。图3显示了6.5kV新型全SiC MOSFET功率模块在有电磁干扰和无电磁干扰下的仿真开通波形，从图中可以看出，通过优化内部电气设计，电磁干扰对6.5kV新型全SiC MOSFET功率模块没有影响。图4为6.5kV新型全SiC MOSFET功率模块上桥臂和下桥臂的仿真开通波形，两者的波形几乎完全一样，在实际测试时也验证了这一点。2.2.2栅极电压振荡抑制在高电流密度功率模块

8、中，内部有很多功率芯片并联，寄生电容和寄生电感可能组成复杂的谐振电路，从而可能造成栅极电压振荡。栅极电压振荡幅度过大，可能损坏栅极。通常可以增大芯片内部的门极电阻来达到抑制振荡的目的，但是增大内部门极电阻会造成开关损耗增加，在设计模块时，我们希望内部栅极电阻尽可能小。借助仿真手段，在保持小的栅极电阻的情况下，我们通过优化内部电气布局很好地抑制了栅极电压振荡。图5为6.5kV新型全SiC MOSFET功率模块在优化内部设计之前和优化之后的栅极电压仿真波形。优化之前，有一个比较大的振荡，振幅可达13V。优化之后，栅极电压振荡得到抑制，幅度只有2V，在实际测试中也验证了这一点。2.3 静态特性参数对

9、比图6为400A IGBT模块（从额定电流1000A IGBT转换而来）、400A传统全SiC MOSFET功率模块（不含SiC SBD）和400A新型全SiCMOSFET功率模块通态压降对比。在150时，SiIGBT的通态电阻比较低，这是因为Si IGBT是双极性器件，而SiC MOSFET属于单极性器件。400A传统全SiC MOSFET功率模块（不含SiC SBD）和400A新型全SiCMOSFET功率模块芯片面积几乎相同，所以在全温度范围内其通态电阻也几乎相同。二极管正向压降对比如图7和图8所示。图7是各模块件在非同步整流状态（MOSFET不导通）下二极管电流特性的对比，图8为各模块在

10、同步整流状态（MOSFET导通）下二极管电流特性的对比。从图中可以看出，在非同步整流状态下，传统SiC-MOSFET功率模块的表现呈非线性特性；而新型全SiC MOSFET功率模块，无论在同步整流还是非同步整流时，都呈线性特征。由上，无论在MOSFET导通状态，还是在二极管导通状态，全SiC MOSFET功率模块都表现出单极性器件的特性。2.4 动态特性参数对比图9为新型全SiC MOSFET功率模块在3600V/400A 在室温和高温下（175）的开通波形对比，从图中可以看出，经过内部结构优化的新型全SiC MOSFET功率模块上桥臂和下桥臂在室温和高温下的开关速度几乎完全一样，所以其室温和

11、高温下的损耗也几乎一样。一般来说，随着温度的增加（载流子寿命增加），反向恢复电流也会随之增加，但是如图9所示，高温下的反向恢复电荷（Qrr）相对常温增加很少。与静态特性一样，新型全SiC MOSFET功率模块在动态特性上表现出单极性器件的特性。2.5 实测开关波形和开关损耗对比图10为传统全SiC MOSFET功率模块和新型全SiC MOSFET功率模块的开通波形在室温和175下对比，从图中可以看出在室温下，两者波形很接近，但是在175下，传统全SiCMOSFET功率模块反向恢复电流更大，VDS下降速度更慢。而新型全SiC MOSFET功率模块因为反向恢复电流小，所以其VDS下降速度更快。同时

12、这些特性表明两者的开通损耗和反向恢复损耗在室温下非常接近，但是在高温下，新型全SiC MOSFET功率模块的开通损耗和反向恢复损耗相对更小，主要原因是反向恢复时，新型全SiCMOSFET功率模块的寄生体二极管不导通。在175时，传统全SiC MOSFET功率模块在开通时会有一个比较大的振荡，而振荡可能造成电磁干扰，进而影响模块的安全工作。实际应用中，希望这个振荡越小越好，为了抑制振荡，可以减缓模块开关速度或者增加外部吸收电路。但是对于新型全SiC MOSFET功率模块，在高温下振荡非常小，无需采取额外措施来抑制振荡。在高压全SiC MOSFET功率模块中，造成以上差异的主要原因是传统全SiC

13、MOSFET功率模块有一层厚的外延层，在反向恢复时会产生比较大的反向恢复电流。图11为Si IGBT模块、传统全SiC MOSFET功率模块和新型全SiC MOSFET功率模块的开关损耗对比（Si IGBT模块与全SiCMOSFET功率模块分别设置在最佳开关速度）。从图中可以看出，全SiC MOSFET功率模块损耗明显小于Si IGBT模块。并且，在175时，新型全SiC MOSFET功率模块比传统全SiC MOSFET功率模块开通损耗低18%，反向恢复损耗低80%。3、损耗对比在开关频率fs=0.5kHz、2kHz和10kHz，PF=0.8，调制比M=1，母线电压VCC=3600V，输出电流

14、IO=200A的工况下，对比了采用Si IGBT模块（150）、传统全SiC MOSFET功率模块（175）和新型全SiC MOSFET功率模块（175）的逆变器损耗，如图12所示。从图中可以看出，在fs=0.5kHz，通态损耗占很大比例，此时全SiC MOSFET功率模块比Si IGBT模块低64%，同时传统全SiC MOSFET功率模块和新型全SiC MOSFET功率模块相差很小。在fs=2kHz，全SiC MOSFET功率模块比Si IGBT模块低85%，而新型全SiC MOSFET功率模块相对传统全SiCMOSFET功率模块低7%。在fs=10kHz，开关损耗占据很大比例，此时全SiC

15、 MOSFET功率模块比Si IGBT功率模块低92%，而新型全SiC MOSFET功率模块相对传统全SiCMOSFET功率模块低16%。从以上可以看出，新型全SiCMOSFET功率模块更适合高频、高温应用。4、结 论三菱电机开发了业界首款采用HV100封装的新型6.5kV全SiC MOSFET功率模块。通过电磁仿真、电路仿真和实际测试，确认了内部电气设计的合理性。同时，新型6.5kV全SiC MOSFET功率模块采用SiC SBD和SiC MOSFET一体化芯片设计，减小了模块体积，实现了6.5kV业界最高的功率密度。通过静态测试和动态测试，确认了新型6.5kV全SiC MOSFET功率模块

16、无论在SiC MOSFET导通还是SiC SBD导通时都表现出单极性器件的特性，且其SiC SBD在高温下反向恢复电流小，没有双极性退化效应。新型6.5kV全SiC MOSFET功率模块在高温下导通时VDS下降更快，其导通损耗更小，且没有振荡现象发生。同时，对比了Si IGBT模块、传统全SiC MOSFET功率模块和新型全SiC MOSFET功率模块的损耗，在开关频率为10kHz时，新型全SiCMOSFET功率模块的损耗比Si IGBT模块大概低92%，比传统全SiC MOSFET功率模块相对低16%。相对传统全SiC MOSFET功率模块，由于SiC MOSFET体二极管与集成的SiC SBD之间反向恢复特性的不同，新型全SiC MOSFET功率模块在高温、高频等应用工况下更有优势。