【中國(guó)傳動(dòng)網(wǎng) 新品新聞】 本文帶來(lái)最新推出的6.5kV全SiCMOSFET功率模塊。集成SiCSBD的6.5kV全SiCMOSFET功率模塊。

摘要

三菱電機(jī)開(kāi)發(fā)了首款6.5kV全SiC(SiliconCarbide)功率模塊，采用高絕緣耐壓HV100標(biāo)準(zhǔn)封裝(100mmí140mm)。通過(guò)電磁仿真和電路仿真，優(yōu)化了HV100封裝的內(nèi)部設(shè)計(jì)，并通過(guò)實(shí)際試驗(yàn)驗(yàn)證了穩(wěn)定的電氣特性。6.5kVHV100全SiC功率模塊為了提高功率密度，將SiCSBD(SchottkyBarrierDiode)與SiCMOSFET芯片集成在一起。在續(xù)流時(shí)，集成的SiCSBD會(huì)導(dǎo)通，而SiCMOSFET的寄生體二極管不會(huì)導(dǎo)通，所以避免了雙極性退化效應(yīng)發(fā)生。本文對(duì)比了SiIGBT功率模塊(SiIGBT芯片和Si二極管芯片)、傳統(tǒng)全SiCMOSFET功率模塊(SiCMOSFET芯片，無(wú)外置SBD)和新型全SiCMOSFET功率模塊(SiCMOSFET和SiCSBD集成在同一個(gè)芯片上)，結(jié)果表明新型全SiCMOSFET功率模塊在高溫、高頻工況下優(yōu)勢(shì)明顯。

引言1

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(qiáng)變流器的性能[1-2]。相對(duì)Si芯片，全SiC芯片可以用更小的體積實(shí)現(xiàn)更高耐壓、更低損耗，給牽引變流系統(tǒng)和電力傳輸系統(tǒng)的研發(fā)設(shè)計(jì)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(yīng)用，有著顯著的節(jié)能、減小變流器體積和重量等作用[3-4]。6.5kVSiIGBT模塊已經(jīng)用于高鐵和電力傳輸系統(tǒng)，這些市場(chǎng)期待6.5kVSiC功率模塊能帶來(lái)更多好處?；诖?，三菱電機(jī)開(kāi)發(fā)了6.5kV全SiCMOSFET功率模塊[5-7]，其采用HV100標(biāo)準(zhǔn)封裝[8]，如圖1所示。這個(gè)封裝為方便并聯(lián)應(yīng)用而設(shè)計(jì)，電氣穩(wěn)定性顯得尤為重要。

本文介紹了6.5kV新型全SiCMOSFET功率模塊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和電氣特性，相對(duì)于傳統(tǒng)的SiIGBT模塊、傳統(tǒng)全SiCMOSFET功率模塊，新型全SiCMOSFET功率模塊在靜態(tài)特性、動(dòng)態(tài)特性和損耗方面優(yōu)勢(shì)明顯。

6.5kV新型SiCMOSFET功率模塊特性

22.1.集成SiCSBD的SiC-MOSFET芯片特性

HV100封裝6.5kV新型全SiCMOSFET功率模塊采用SiCMOSFET和SiCSBD一體化芯片技術(shù)，最高工作結(jié)溫可達(dá)175℃。

模塊設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要難點(diǎn)是避免SiCMOSFET的寄生體二極管(PIN二極管)導(dǎo)通，一旦PIN二極管中有少子(空穴)電流流向二極管的陰極(SiCMOSFET的漏極)，因?yàn)镾iC芯片外延層特性，雙極性退化效應(yīng)發(fā)生的可能性就會(huì)增加。在續(xù)流狀態(tài)下，SiCSBD的正向飽和壓降在全電流范圍內(nèi)比SiCMOSFET的寄生體二極管要低。獨(dú)立放置的SiCMOSFET和SiCSBD芯片如圖2(a)所示，SiCSBD的面積是SiCMOSFET芯片面積的3倍;如果將SiCSBD集成在SiCMOSFET芯片上面，如圖2(b)所示，總面積是單個(gè)SiCMOSFET芯片面積的1.05倍。集成在SiCMOSFET芯片上面的SiCSBD采用垂直元胞結(jié)構(gòu)，在續(xù)流時(shí)承載全部反向電流，同時(shí)使SiCMOSFET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(yīng)。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(duì)于傳統(tǒng)的SiIGBT模塊和傳統(tǒng)全SiCMOSFET功率模塊，采用相同HV100封裝的新型全SiCMOSFET功率模塊可以實(shí)現(xiàn)業(yè)界最高的功率密度。

2.2.新型SiCMOSFET功率模塊的優(yōu)化設(shè)計(jì)

6.5kV新型全SiCMOSFET功率模塊內(nèi)部采用半橋拓?fù)?，一般的大功率?yīng)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(yùn)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(yàn)證內(nèi)部封裝結(jié)構(gòu)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(nèi)部功率芯片布置、綁定線(xiàn)連接及其他電氣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的復(fù)雜性。

我們構(gòu)建了6.5kV新型全SiCMOSFET功率模塊的內(nèi)部等效電路和芯片模型，通過(guò)3D電磁仿真和電路仿真，驗(yàn)證了功率模塊設(shè)計(jì)的合理性。

2.2.1丨優(yōu)化開(kāi)關(guān)速度

如果在模塊封裝設(shè)計(jì)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(fù)的電流反饋可以降低芯片的開(kāi)關(guān)速度，導(dǎo)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(dǎo)致模塊內(nèi)部各個(gè)芯片的熱分布不一致。圖3顯示了6.5kV新型全SiCMOSFET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(nèi)部電氣設(shè)計(jì)，電磁干擾對(duì)6.5kV新型全SiCMOSFET功率模塊沒(méi)有影響。圖4為6.5kV新型全SiCMOSFET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(cè)試時(shí)也驗(yàn)證了這一點(diǎn)。

2.2.2丨柵極電壓振蕩抑制

在高電流密度功率模塊中，內(nèi)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(fù)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?nèi)部的門(mén)極電阻來(lái)達(dá)到抑制振蕩的目的，但是增大內(nèi)部門(mén)極電阻會(huì)造成開(kāi)關(guān)損耗增加，在設(shè)計(jì)模塊時(shí)，我們希望內(nèi)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(nèi)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SiCMOSFET功率模塊在優(yōu)化內(nèi)部設(shè)計(jì)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(dá)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(cè)試中也驗(yàn)證了這一點(diǎn)。

2.3.靜態(tài)特性參數(shù)對(duì)比

圖6為400AIGBT模塊(從額定電流1000AIGBT轉(zhuǎn)換而來(lái))、400A傳統(tǒng)全SiCMOSFET功率模塊(不含SiCSBD)和400A新型全SiCMOSFET功率模塊通態(tài)壓降對(duì)比。在150℃時(shí)，SiIGBT的通態(tài)電阻比較低，這是因?yàn)镾iIGBT是雙極性器件，而SiCMOSFET屬于單極性器件。400A傳統(tǒng)全SiCMOSFET功率模塊(不含SiCSBD)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(nèi)其通態(tài)電阻也幾乎相同。二極管正向壓降對(duì)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(dǎo)通)下二極管電流特性的對(duì)比，圖8為各模塊在同步整流狀態(tài)(MOSFET導(dǎo)通)下二極管電流特性的對(duì)比。從圖中可以看出，在非同步整流狀態(tài)下，傳統(tǒng)SiC-MOSFET功率模塊的表現(xiàn)呈非線(xiàn)性特性;而新型全SiCMOSFET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(dǎo)通狀態(tài)，還是在二極管導(dǎo)通狀態(tài)，全SiCMOSFET功率模塊都表現(xiàn)出單極性器件的特性。

2.4.動(dòng)態(tài)特性參數(shù)對(duì)比

圖9為新型全SiCMOSFET功率模塊在3600V/400A在室溫和高溫下(175℃)的開(kāi)通波形對(duì)比，從圖中可以看出，經(jīng)過(guò)內(nèi)部結(jié)構(gòu)優(yōu)化的新型全SiCMOSFET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)，隨著溫度的增加(載流子壽命增加)，反向恢復(fù)電流也會(huì)隨之增加，但是如圖9所示，高溫下的反向恢復(fù)電荷(Qrr)相對(duì)常溫增加很少。與靜態(tài)特性一樣，新型全SiCMOSFET功率模塊在動(dòng)態(tài)特性上表現(xiàn)出單極性器件的特性。

2.5.實(shí)測(cè)開(kāi)關(guān)波形和開(kāi)關(guān)損耗對(duì)比

圖10為傳統(tǒng)全SiCMOSFET功率模塊和新型全SiCMOSFET功率模塊的開(kāi)通波形在室溫和175℃下對(duì)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(tǒng)全SiCMOSFET功率模塊反向恢復(fù)電流更大，VDS下降速度更慢。而新型全SiCMOSFET功率模塊因?yàn)榉聪蚧謴?fù)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(fù)損耗在室溫下非常接近，但是在高溫下，新型全SiCMOSFET功率模塊的開(kāi)通損耗和反向恢復(fù)損耗相對(duì)更小，主要原因是反向恢復(fù)時(shí)，新型全SiCMOSFET功率模塊的寄生體二極管不導(dǎo)通。

在175℃時(shí)，傳統(tǒng)全SiCMOSFET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(yīng)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(duì)于新型全SiCMOSFET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SiCMOSFET功率模塊中，造成以上差異的主要原因是傳統(tǒng)全SiCMOSFET功率模塊有一層厚的外延層，在反向恢復(fù)時(shí)會(huì)產(chǎn)生比較大的反向恢復(fù)電流。

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

損耗對(duì)比

3

在開(kāi)關(guān)頻率fs=0.5kHz、2kHz和10kHz，PF=0.8，調(diào)制比M=1，母線(xiàn)電壓VCC=3600V，輸出電流IO=200A的工況下，對(duì)比了采用SiIGBT模塊(150℃)、傳統(tǒng)全SiCMOSFET功率模塊(175℃)和新型全SiCMOSFET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SiCMOSFET功率模塊比SiIGBT模塊低64%，同時(shí)傳統(tǒng)全SiCMOSFET功率模塊和新型全SiCMOSFET功率模塊相差很小。在fs=2kHz，全SiCMOSFET功率模塊比SiIGBT模塊低85%，而新型全SiCMOSFET功率模塊相對(duì)傳統(tǒng)全SiCMOSFET功率模塊低7%。在fs=10kHz，開(kāi)關(guān)損耗占據(jù)很大比例，此時(shí)全SiCMOSFET功率模塊比SiIGBT功率模塊低92%，而新型全SiCMOSFET功率模塊相對(duì)傳統(tǒng)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(yīng)用。

結(jié)論4

三菱電機(jī)開(kāi)發(fā)了業(yè)界首款采用HV100封裝的新型6.5kV全SiCMOSFET功率模塊。通過(guò)電磁仿真、電路仿真和實(shí)際測(cè)試，確認(rèn)了內(nèi)部電氣設(shè)計(jì)的合理性。同時(shí)，新型6.5kV全SiCMOSFET功率模塊采用SiCSBD和SiCMOSFET一體化芯片設(shè)計(jì)，減小了模塊體積，實(shí)現(xiàn)了6.5kV業(yè)界最高的功率密度。通過(guò)靜態(tài)測(cè)試和動(dòng)態(tài)測(cè)試，確認(rèn)了新型6.5kV全SiCMOSFET功率模塊無(wú)論在SiCMOSFET導(dǎo)通還是SiCSBD導(dǎo)通時(shí)都表現(xiàn)出單極性器件的特性，且其SiCSBD在高溫下反向恢復(fù)電流小，沒(méi)有雙極性退化效應(yīng)。新型6.5kV全SiCMOSFET功率模塊在高溫下導(dǎo)通時(shí)VDS下降更快，其導(dǎo)通損耗更小，且沒(méi)有振蕩現(xiàn)象發(fā)生。同時(shí)，對(duì)比了SiIGBT模塊、傳統(tǒng)全SiCMOSFET功率模塊和新型全SiCMOSFET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SiIGBT模塊大概低92%，比傳統(tǒng)全SiCMOSFET功率模塊相對(duì)低16%。相對(duì)傳統(tǒng)全SiCMOSFET功率模塊，由于SiCMOSFET體二極管與集成的SiCSBD之間反向恢復(fù)特性的不同，新型全SiCMOSFET功率模塊在高溫、高頻等應(yīng)用工況下更有優(yōu)勢(shì)。