三菱電機開(kāi)發(fā)了首款6.5kV全SiC(Silicon Carbide)功率模塊，采用高絕緣耐壓HV100標準封裝(100mmÍ140mm)。通過(guò)電磁仿真和電路仿真，優(yōu)化了HV100封裝的內部設計，并通過(guò)實(shí)際試驗驗證了穩定的電氣特性。6.5kV HV100全SiC功率模塊為了提高功率密度，將SiC SBD(Schottky Barrier Diode)與SiC MOSFET芯片集成在一起。

 

在續流時(shí)，集成的SiC SBD會(huì )導通，而SiC MOSFET的寄生體二極管不會(huì )導通，所以避免了雙極性退化效應發(fā)生。本文對比了Si IGBT功率模塊(Si IGBT芯片和Si二極管芯片)、傳統全SiC MOSFET功率模塊(SiC MOSFET芯片，無(wú)外置SBD)和新型全SiC MOSFET功率模塊(SiC MOSFET和SiC SBD集成在同一個(gè)芯片上)，結果表明新型全SiC MOSFET功率模塊在高溫、高頻工況下優(yōu)勢明顯。

 

1、引 言

 

SiC材料具有優(yōu)異的物理性能，由此研發(fā)的SiC功率模塊可以增強變流器的性能[1-2]。相對Si芯片，全SiC芯片可以用更小的體積實(shí)現更高耐壓、更低損耗，給牽引變流系統和電力傳輸系統的研發(fā)設計帶來(lái)更多便利。3.3kV全SiC功率模塊已經(jīng)在牽引變流器中得到應用，有著(zhù)顯著(zhù)的節能、減小變流器體積和重量等作用[3-4]。6.5kV Si IGBT模塊已經(jīng)用于高鐵和電力傳輸系統，這些市場(chǎng)期待6.5kV SiC功率模塊能帶來(lái)更多好處?；诖?，三菱電機開(kāi)發(fā)了6.5kV全SiC MOSFET功率模塊[5-7]，其采用HV100標準封裝[8]，如圖1所示。這個(gè)封裝為方便并聯(lián)應用而設計，電氣穩定性顯得尤為重要。

 

 

本文介紹了6.5kV新型全SiC MOSFET功率模塊的內部結構和電氣特性，相對于傳統的Si IGBT模塊、傳統全SiC MOSFET功率模塊，新型全SiC MOSFET功率模塊在靜態(tài)特性、動(dòng)態(tài)特性和損耗方面優(yōu)勢明顯。

 

2、6.5kV新型SiC MOSFET功率模塊特性

 

2.1  集成SiC SBD的SiC-MOSFET芯片特性

 

HV100封裝6.5kV新型全SiC MOSFET功率模塊采用SiC MOSFET和SiC SBD一體化芯片技術(shù)，最高工作結溫可達175℃。

 

模塊設計中的一個(gè)重要難點(diǎn)是避免SiC MOSFET的寄生體二極管（PIN二極管）導通，一旦PIN二極管中有少子（空穴）電流流向二極管的陰極（SiC MOSFET的漏極），因為SiC芯片外延層特性，雙極性退化效應發(fā)生的可能性就會(huì )增加。在續流狀態(tài)下，SiC SBD的正向飽和壓降在全電流范圍內比SiC MOSFET的寄生體二極管要低。

 

獨立放置的SiC MOSFET 和SiC SBD芯片如圖2（a）所示，SiC SBD的面積是SiC MOSFET芯片面積的3倍；如果將SiC SBD集成在SiC MOSFET芯片上面，如圖2（b）所示，總面積是單個(gè)SiC MOSFET芯片面積的1.05倍。集成在SiC MOSFET芯片上面的SiC SBD采用垂直元胞結構，在續流時(shí)承載全部反向電流，同時(shí)使SiC MOSFET芯片的寄生體二極管不流過(guò)電流，從而消除雙極性退化效應。如圖2所示，由于芯片面積減小，模塊整體體積就可以減小。相對于傳統的Si IGBT模塊和傳統全SiC MOSFET功率模塊，采用相同HV100封裝的新型全SiC MOSFET功率模塊可以實(shí)現業(yè)界最高的功率密度。

 

 

2.2  新型SiC MOSFET功率模塊的優(yōu)化設計

 

6.5kV新型全SiC MOSFET功率模塊內部采用半橋拓撲，一般的大功率應用可以采用并聯(lián)連接來(lái)提高輸出功率。高電壓功率模塊在高頻下運行，需要考慮模塊自身的寄生電容、寄生電感和寄生阻抗等。3D電磁仿真是驗證內部封裝結構和芯片布局的一種有效方法。電磁干擾可能帶來(lái)三種不良的影響：一是開(kāi)關(guān)過(guò)程中的電流反饋；二是上、下橋臂開(kāi)關(guān)特性不一致；三是柵極電壓振蕩。電磁干擾會(huì )增加模塊內部功率芯片布置、綁定線(xiàn)連接及其他電氣結構設計的復雜性。

 

我們構建了6.5kV新型全SiC MOSFET功率模塊的內部等效電路和芯片模型，通過(guò)3D電磁仿真和電路仿真，驗證了功率模塊設計的合理性。

 

2.2.1

 

優(yōu)化開(kāi)關(guān)速度

 

如果在模塊封裝設計時(shí)沒(méi)有考慮電磁干擾，在實(shí)際工況中，就會(huì )產(chǎn)生開(kāi)關(guān)過(guò)程中的電流反饋，使芯片的固有開(kāi)關(guān)速度發(fā)生變化，進(jìn)而可能造成上橋臂和下橋臂的開(kāi)關(guān)速度不一致。負的電流反饋可以降低芯片的開(kāi)關(guān)速度，導致芯片的開(kāi)關(guān)損耗增加，因此開(kāi)關(guān)速度的不平衡可以導致模塊內部各個(gè)芯片的熱分布不一致。圖3顯示了6.5kV新型全SiC MOSFET功率模塊在有電磁干擾和無(wú)電磁干擾下的仿真開(kāi)通波形，從圖中可以看出，通過(guò)優(yōu)化內部電氣設計，電磁干擾對6.5kV新型全SiC MOSFET功率模塊沒(méi)有影響。圖4為6.5kV新型全SiC MOSFET功率模塊上橋臂和下橋臂的仿真開(kāi)通波形，兩者的波形幾乎完全一樣，在實(shí)際測試時(shí)也驗證了這一點(diǎn)。

 

 

2.2.2

 

柵極電壓振蕩抑制

 

在高電流密度功率模塊中，內部有很多功率芯片并聯(lián)，寄生電容和寄生電感可能組成復雜的諧振電路，從而可能造成柵極電壓振蕩。柵極電壓振蕩幅度過(guò)大，可能損壞柵極。通?？梢栽龃笮酒瑑炔康拈T(mén)極電阻來(lái)達到抑制振蕩的目的，但是增大內部門(mén)極電阻會(huì )造成開(kāi)關(guān)損耗增加，在設計模塊時(shí)，我們希望內部柵極電阻盡可能小。借助仿真手段，在保持小的柵極電阻的情況下，我們通過(guò)優(yōu)化內部電氣布局很好地抑制了柵極電壓振蕩。

 

 

圖5為6.5kV新型全SiC MOSFET功率模塊在優(yōu)化內部設計之前和優(yōu)化之后的柵極電壓仿真波形。優(yōu)化之前，有一個(gè)比較大的振蕩，振幅可達13V。優(yōu)化之后，柵極電壓振蕩得到抑制，幅度只有2V，在實(shí)際測試中也驗證了這一點(diǎn)。

 

2.3  靜態(tài)特性參數對比

 

圖6為400A IGBT模塊（從額定電流1000A IGBT轉換而來(lái)）、400A傳統全SiC MOSFET功率模塊（不含SiC SBD）和400A新型全SiCMOSFET功率模塊通態(tài)壓降對比。在150℃時(shí)，SiIGBT的通態(tài)電阻比較低，這是因為Si IGBT是雙極性器件，而SiC MOSFET屬于單極性器件。400A傳統全SiC MOSFET功率模塊（不含SiC SBD）和400A新型全SiCMOSFET功率模塊芯片面積幾乎相同，所以在全溫度范圍內其通態(tài)電阻也幾乎相同。

 

二極管正向壓降對比如圖7和圖8所示。圖7是各模塊件在非同步整流狀態(tài)（MOSFET不導通）下二極管電流特性的對比，圖8為各模塊在同步整流狀態(tài)（MOSFET導通）下二極管電流特性的對比。從圖中可以看出，在非同步整流狀態(tài)下，傳統SiC-MOSFET功率模塊的表現呈非線(xiàn)性特性；而新型全SiC MOSFET功率模塊，無(wú)論在同步整流還是非同步整流時(shí)，都呈線(xiàn)性特征。由上，無(wú)論在MOSFET導通狀態(tài)，還是在二極管導通狀態(tài)，全SiC MOSFET功率模塊都表現出單極性器件的特性。

 

 

 

2.4  動(dòng)態(tài)特性參數對比

 

圖9為新型全SiC MOSFET功率模塊在3600V/400A 在室溫和高溫下（175℃）的開(kāi)通波形對比，從圖中可以看出，經(jīng)過(guò)內部結構優(yōu)化的新型全SiC MOSFET功率模塊上橋臂和下橋臂在室溫和高溫下的開(kāi)關(guān)速度幾乎完全一樣，所以其室溫和高溫下的損耗也幾乎一樣。一般來(lái)說(shuō)，隨著(zhù)溫度的增加（載流子壽命增加），反向恢復電流也會(huì )隨之增加，但是如圖9所示，高溫下的反向恢復電荷（Qrr）相對常溫增加很少。與靜態(tài)特性一樣，新型全SiC MOSFET功率模塊在動(dòng)態(tài)特性上表現出單極性器件的特性。

 

 

2.5  實(shí)測開(kāi)關(guān)波形和開(kāi)關(guān)損耗對比

 

圖10為傳統全SiC MOSFET功率模塊和新型全SiC MOSFET功率模塊的開(kāi)通波形在室溫和175℃下對比，從圖中可以看出在室溫下，兩者波形很接近，但是在175℃下，傳統全SiCMOSFET功率模塊反向恢復電流更大，VDS下降速度更慢。而新型全SiC MOSFET功率模塊因為反向恢復電流小，所以其VDS下降速度更快。同時(shí)這些特性表明兩者的開(kāi)通損耗和反向恢復損耗在室溫下非常接近，但是在高溫下，新型全SiC MOSFET功率模塊的開(kāi)通損耗和反向恢復損耗相對更小，主要原因是反向恢復時(shí)，新型全SiCMOSFET功率模塊的寄生體二極管不導通。

 

 

在175℃時(shí)，傳統全SiC MOSFET功率模塊在開(kāi)通時(shí)會(huì )有一個(gè)比較大的振蕩，而振蕩可能造成電磁干擾，進(jìn)而影響模塊的安全工作。實(shí)際應用中，希望這個(gè)振蕩越小越好，為了抑制振蕩，可以減緩模塊開(kāi)關(guān)速度或者增加外部吸收電路。但是對于新型全SiC MOSFET功率模塊，在高溫下振蕩非常小，無(wú)需采取額外措施來(lái)抑制振蕩。

 

在高壓全SiC MOSFET功率模塊中，造成以上差異的主要原因是傳統全SiC MOSFET功率模塊有一層厚的外延層，在反向恢復時(shí)會(huì )產(chǎn)生比較大的反向恢復電流。

 

圖11為Si IGBT模塊、傳統全SiC MOSFET功率模塊和新型全SiC MOSFET功率模塊的開(kāi)關(guān)損耗對比（Si IGBT模塊與全SiCMOSFET功率模塊分別設置在最佳開(kāi)關(guān)速度）。從圖中可以看出，全SiC MOSFET功率模塊損耗明顯小于Si IGBT模塊。并且，在175℃時(shí)，新型全SiC MOSFET功率模塊比傳統全SiC MOSFET功率模塊開(kāi)通損耗低18%，反向恢復損耗低80%。

 

 

3、損耗對比

 

在開(kāi)關(guān)頻率fs=0.5kHz、2kHz和10kHz，PF=0.8，調制比M=1，母線(xiàn)電壓VCC=3600V，輸出電流IO=200A的工況下，對比了采用Si IGBT模塊（150℃）、傳統全SiC MOSFET功率模塊（175℃）和新型全SiC MOSFET功率模塊（175℃）的逆變器損耗，如圖12所示。從圖中可以看出，在fs=0.5kHz，通態(tài)損耗占很大比例，此時(shí)全SiC MOSFET功率模塊比Si IGBT模塊低64%，同時(shí)傳統全SiC MOSFET功率模塊和新型全SiC MOSFET功率模塊相差很小。

 

在fs=2kHz，全SiC MOSFET功率模塊比Si IGBT模塊低85%，而新型全SiC MOSFET功率模塊相對傳統全SiCMOSFET功率模塊低7%。在fs=10kHz，開(kāi)關(guān)損耗占據很大比例，此時(shí)全SiC MOSFET功率模塊比Si IGBT功率模塊低92%，而新型全SiC MOSFET功率模塊相對傳統全SiCMOSFET功率模塊低16%。從以上可以看出，新型全SiCMOSFET功率模塊更適合高頻、高溫應用。

 

 

4、結 論

 

三菱電機開(kāi)發(fā)了業(yè)界首款采用HV100封裝的新型6.5kV全SiC MOSFET功率模塊。通過(guò)電磁仿真、電路仿真和實(shí)際測試，確認了內部電氣設計的合理性。同時(shí)，新型6.5kV全SiC MOSFET功率模塊采用SiC SBD和SiC MOSFET一體化芯片設計，減小了模塊體積，實(shí)現了6.5kV業(yè)界最高的功率密度。通過(guò)靜態(tài)測試和動(dòng)態(tài)測試，確認了新型6.5kV全SiC MOSFET功率模塊無(wú)論在SiC MOSFET導通還是SiC SBD導通時(shí)都表現出單極性器件的特性，且其SiC SBD在高溫下反向恢復電流小，沒(méi)有雙極性退化效應。新型6.5kV全SiC MOSFET功率模塊在高溫下導通時(shí)VDS下降更快，其導通損耗更小，且沒(méi)有振蕩現象發(fā)生。

 

同時(shí)，對比了Si IGBT模塊、傳統全SiC MOSFET功率模塊和新型全SiC MOSFET功率模塊的損耗，在開(kāi)關(guān)頻率為10kHz時(shí)，新型全SiCMOSFET功率模塊的損耗比Si IGBT模塊大概低92%，比傳統全SiC MOSFET功率模塊相對低16%。相對傳統全SiC MOSFET功率模塊，由于SiC MOSFET體二極管與集成的SiC SBD之間反向恢復特性的不同，新型全SiC MOSFET功率模塊在高溫、高頻等應用工況下更有優(yōu)勢。

 

 

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