三菱電機(jī)工業(yè)用NX封裝全SiC功率模塊解析

三菱電機(jī)開發(fā)了工業(yè)應(yīng)用的NX封裝全SiC功率模塊，采用低損耗SiC芯片和優(yōu)化的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，與現(xiàn)有的Si-IGBT模塊相比，顯著降低了功率損耗，同時器件內(nèi)部雜散電感降低約47%。

三菱電機(jī)從1994年開始研發(fā)SiC-MOSFET，經(jīng)過試制驗證，目前正處于普及擴(kuò)大的階段。SiC-MOSFET能夠使系統(tǒng)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(tǒng)小型化等各種優(yōu)點，逐漸有替換Si-IGBT的趨勢。但是，SiC-MOSFET與Si-IGBT相比，由于開關(guān)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(nèi)，其中一種解決方案是增加?xùn)艠O電阻并減慢開關(guān)速度，但這種解決方法沒有利用SiC-MOSFET低損耗工作的優(yōu)點。目前工業(yè)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(fā)出能夠為系統(tǒng)高效率化做出貢獻(xiàn)的產(chǎn)品。圖1表示外觀圖，圖2表示內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。

圖1：產(chǎn)品外觀

圖2：內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

產(chǎn)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(yè)標(biāo)準(zhǔn)封裝（NX封裝）；

通過封裝的低電感化（Ls=9nH），實現(xiàn)低損耗；

考慮封裝內(nèi)芯片布局，優(yōu)化內(nèi)部芯片電流均衡；

一般與開關(guān)速度有很大關(guān)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(shè)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(guān)速度，或者使電路雜散電感Ls最小化。開關(guān)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(nèi)部的雜散電感。外部回路雜散電感可通過采用疊層母排結(jié)構(gòu)或使用緩沖電路來降低，NX-SiC模塊通過內(nèi)部疊層設(shè)計，使Ls最小化（Ls≒9nH）（圖2），來實現(xiàn)高速開關(guān)。

圖3：關(guān)斷波形的示意圖

圖4、圖5顯示了與傳統(tǒng)NX封裝Si-IGBT特性比較的結(jié)果：

圖4：關(guān)斷浪涌電壓 vs Eoff

圖5：損耗計算結(jié)果

在圖4中，即使將SiC-MOSFET安裝在傳統(tǒng)Si-IGBT使用的NX封裝中（紅線左上角），當(dāng)調(diào)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(chǎn)生的浪涌電壓不超過1700V，雖無規(guī)定柵極電阻的最小值，但即使在0Ω時進(jìn)行開關(guān)Eoff也高達(dá)約150mJ（紅線右下方）。

為了在SiC-MOSFET中實現(xiàn)Eoff的進(jìn)一步改善，需要減小柵極電阻進(jìn)行開關(guān)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(guān)斷電壓保持在額定電壓1700V以下，Eoff為10mJ，約為傳統(tǒng)NX封裝的1/4。SiC-MOSFET在模擬逆變器工作的損耗計算結(jié)果顯示，搭載在傳統(tǒng)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(tǒng)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(xiàn)高頻開關(guān)，為設(shè)備小型化、低成本化做出貢獻(xiàn)；

采用行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)封裝，便于替換Si-IGBT模塊

工業(yè)級全SiC-MOSFET以電源行業(yè)為中心被廣泛用于各種應(yīng)用。不僅改善了芯片特性，還開發(fā)了能夠最大限度發(fā)揮芯片性能的封裝，從而提高系統(tǒng)整體的效率及降低組件成本等。未來，我們將繼續(xù)開發(fā)能實現(xiàn)系統(tǒng)節(jié)能的功率模塊。

正文完

<關(guān)于三菱電機(jī)>

三菱電機(jī)創(chuàng)立于1921年，是全球知名的綜合性企業(yè)。截止2024年3月31日的財年，集團(tuán)營收52579億日元（約合美元348億）。作為一家技術(shù)主導(dǎo)型企業(yè)，三菱電機(jī)擁有多項專利技術(shù)，并憑借強大的技術(shù)實力和良好的企業(yè)信譽在全球的電力設(shè)備、通信設(shè)備、工業(yè)自動化、電子元器件、家電等市場占據(jù)重要地位。尤其在電子元器件市場，三菱電機(jī)從事開發(fā)和生產(chǎn)半導(dǎo)體已有68年。其半導(dǎo)體產(chǎn)品更是在變頻家電、軌道牽引、工業(yè)與新能源、電動汽車、模擬/數(shù)字通訊以及有線/無線通訊等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。