本文帶來最新推出的全SiC MOSFET功率模塊。
集成SiC SBD的全SiC MOSFET功率模塊
Jun-ichi Nakashima*, Akihisa Fukumoto*, Yoshiko Obiraki*,
Takeshi Oi*, YoheiMitsui*, Hiroshi Nakatake*, Yoshihiko Toyoda*,
Akinori Nishizawa*, KoutarouKawahara*, Shiro Hino*,
Hiroshi Watanabe*, Tetsu Negishi**, Shin-ichi Iura**
*三菱電機(jī)先端技術(shù)研究所
**三菱電機(jī)功率器件制作所
摘要
三菱電機(jī)開發(fā)了首款全SiC(Silicon Carbide)功率模塊，采用高絕緣耐壓HV100標(biāo)準(zhǔn)封裝(100mmí140mm)。通過電磁仿真和電路仿真，優(yōu)化了HV100封裝的內(nèi)部設(shè)計(jì)，并通過實(shí)際試驗(yàn)驗(yàn)證了穩(wěn)定的電氣特性。 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(xù)流時(shí)，集成的SiC SBD會(huì)導(dǎo)通，而SiC MOSFET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Si IGBT功率模塊(Si IGBT芯片和Si二極管芯片)、傳統(tǒng)全SiC MOSFET功率模塊(SiC MOSFET芯片，無外置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(jié)果表明新型全SiC MOSFET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)帶來更多便利。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]。 Si IGBT模塊已經(jīng)用于高鐵和電力傳輸系統(tǒng)，這些市場(chǎng)期待 SiC功率模塊能帶來更多好處。基于此，三菱電機(jī)開發(fā)了全SiC MOSFET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。
本文介紹了新型全SiC MOSFET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Si IGBT模塊、傳統(tǒng)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(shì)明顯。
新型SiC MOSFET功率模塊特性
2
2.1.集成SiC SBD的SiC-MOSFET芯片特性
HV100封裝新型全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(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SiC MOSFET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(SiC MOSFET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，SiC SBD的正向飽和壓降在全電流范圍內(nèi)比SiC MOSFET的寄生體二極管要低。獨(dú)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芯片面積的倍。集成在SiC MOSFET芯片上面的SiC SBD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SiC MOSFET芯片的寄生體二極管不流過電流，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Si IGBT模塊和傳統(tǒng)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(xiàn)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(shè)計(jì)
新型全SiC MOSFET功率模塊內(nèi)部采用半橋拓?fù)洌话愕拇蠊β蕬?yīng)用可以采用并聯(lián)連接來提高輸出功率。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。電磁干擾可能帶來三種不良的影響：一是開關(guān)過程中的電流反饋;二是上、下橋臂開關(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)建了新型全SiC MOSFET功率模塊的內(nèi)部等效電路和芯片模型，通過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)化開關(guān)速度
如果在模塊封裝設(shè)計(jì)時(shí)沒有考慮電磁干擾，在實(shí)際工況中，就會(huì)產(chǎn)生開關(guān)過程中的電流反饋，使芯片的固有開關(guān)速度發(fā)生變化，進(jìn)而可能造成上橋臂和下橋臂的開關(guān)速度不一致。負(fù)的電流反饋可以降低芯片的開關(guān)速度，導(dǎo)致芯片的開關(guān)損耗增加，因此開關(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顯示了新型全SiC MOSFET功率模塊在有電磁干擾和無電磁干擾下的仿真開通波形，從圖中可以看出，通過優(yōu)化內(nèi)部電氣設(shè)計(jì)，電磁干擾對(duì)新型全SiC MOSFET功率模塊沒有影響。圖4為新型全SiC MOSFET功率模塊上橋臂和下橋臂的仿真開通波形，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大，可能損壞柵極。通常可以增大芯片內(nèi)部的門極電阻來達(dá)到抑制振蕩的目的，但是增大內(nèi)部門極電阻會(huì)造成開關(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為新型全SiC MOSFET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400A IGBT模塊(從額定電流1000A IGBT轉(zhuǎn)換而來)、400A傳統(tǒng)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(duì)比。在150℃時(shí)，SiIGBT的通態(tài)電阻比較低，這是因?yàn)镾i IGBT是雙極性器件，而SiC MOSFET屬于單極性器件。400A傳統(tǒng)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(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)呈非線性特性;而新型全SiC MOSFET功率模塊，無論在同步整流還是非同步整流時(shí)，都呈線性特征。由上，無論在MOSFET導(dǎo)通狀態(tài)，還是在二極管導(dǎo)通狀態(tài)，全SiC MOSFET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SiC MOSFET功率模塊在3600V/400A 在室溫和高溫下(175℃)的開通波形對(duì)比，從圖中可以看出，經(jīng)過內(nèi)部結(jié)構(gòu)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。一般來說，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SiC MOSFET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)開關(guān)波形和開關(guān)損耗對(duì)比
圖10為傳統(tǒng)全SiC MOSFET功率模塊和新型全SiC MOSFET功率模塊的開通波形在室溫和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SiC MOSFET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SiC MOSFET功率模塊的開通損耗和反向恢復(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SiC MOSFET功率模塊在開通時(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，可以減緩模塊開關(guān)速度或者增加外部吸收電路。但是對(duì)于新型全SiC MOSFET功率模塊，在高溫下振蕩非常小，無需采取額外措施來抑制振蕩。
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(tǒng)全SiC MOSFET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Si IGBT模塊、傳統(tǒng)全SiC MOSFET功率模塊和新型全SiC MOSFET功率模塊的開關(guān)損耗對(duì)比(Si IGBT模塊與全SiCMOSFET功率模塊分別設(shè)置在最佳開關(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(tǒng)全SiC MOSFET功率模塊開通損耗低18%，反向恢復(fù)損耗低80%。
損耗對(duì)比
3
在開關(guān)頻率fs=、2kHz和10kHz，PF=0.8，調(diào)制比M=1，母線電壓VCC=3600V，輸出電流IO=200A的工況下，對(duì)比了采用Si IGBT模塊(150℃)、傳統(tǒng)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=，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(tǒng)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(duì)傳統(tǒng)全SiCMOSFET功率模塊低7%。在fs=10kHz，開關(guān)損耗占據(jù)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(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)開發(fā)了業(yè)界首款采用HV100封裝的新型全SiC MOSFET功率模塊。通過電磁仿真、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)，新型全SiC MOSFET功率模塊采用SiC SBD和SiC MOSFET一體化芯片設(shè)計(jì)，減小了模塊體積，實(shí)現(xiàn)了業(yè)界最高的功率密度。通過靜態(tài)測(cè)試和動(dòng)態(tài)測(cè)試，確認(rèn)了新型全SiC MOSFET功率模塊無論在SiC MOSFET導(dǎo)通還是SiC SBD導(dǎo)通時(shí)都表現(xiàn)出單極性器件的特性，且其SiC SBD在高溫下反向恢復(fù)電流小，沒有雙極性退化效應(yīng)。新型全SiC MOSFET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，且沒有振蕩現(xiàn)象發(fā)生。同時(shí)，對(duì)比了Si IGBT模塊、傳統(tǒng)全SiC MOSFET功率模塊和新型全SiC MOSFET功率模塊的損耗，在開關(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(tǒng)全SiC MOSFET功率模塊相對(duì)低16%。相對(duì)傳統(tǒng)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(fù)特性的不同，新型全SiC MOSFET功率模塊在高溫、高頻等應(yīng)用工況下更有優(yōu)勢(shì)。
