【导读】本文介绍了6.5kV新型全SiC MOSFET功率?？榈哪诓拷峁购偷缙匦裕喽杂诖车腟i IGBT?？椤⒋橙玈iC MOSFET功率?？?，新型全SiC MOSFET功率?？樵诰蔡匦浴⒍匦院退鸷姆矫嬗攀泼飨?。
三菱电机开发了首款6.5kV全SiC(Silicon Carbide)功率?？?，采用高绝缘耐压HV100标准封装(100mmÍ140mm)。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?？槲颂岣吖β拭芏龋玈iC SBD(Schottky Barrier Diode)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 IGBT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?？?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?？樵诟呶隆⒏咂倒た鱿掠攀泼飨?。
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?？橐丫谇Ｒ淞髌髦械玫接τ?，有着显著的节能、减小变流器体积和重量等作用[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?？槟艽锤嗪么Α；诖?，三菱电机开发了6.5kV全SiC MOSFET功率?？閇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?？榈哪诓拷峁购偷缙匦?，相对于传统的Si IGBT?？?、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?？樘匦?/div>
2.1 集成SiC SBD的SiC-MOSFET芯片特性
HV100封装6.5kV新型全SiC MOSFET功率?？椴捎肧iC MOSFET和SiC SBD一体化芯片技术，最高工作结温可达175℃。
?？樯杓浦械囊桓鲋匾训闶潜苊釹iC 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，?？檎逄寤涂梢约跣 Ｏ喽杂诖车腟i IGBT?？楹痛橙玈iC MOSFET功率?？?，采用相同HV100封装的新型全SiC MOSFET功率?？榭梢允迪忠到缱罡叩墓β拭芏?。
2.2 新型SiC MOSFET功率?？榈挠呕杓?/div>
6.5kV新型全SiC MOSFET功率?？槟诓坎捎冒肭磐仄?，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??；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?？槟诓抗β市酒贾谩蠖ㄏ吡蛹捌渌缙峁股杓频母丛有?。
我们构建了6.5kV新型全SiC MOSFET功率?？榈哪诓康刃У缏泛托酒Ｐ?，通过3D电磁仿真和电路仿真，验证了功率?？樯杓频暮侠硇?。
2.2.1
优化开关速度
如果在?？榉庾吧杓剖泵挥锌悸堑绱鸥扇牛谑导使た鲋?，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?？槟诓扛鞲鲂酒娜确植疾灰恢?。图3显示了6.5kV新型全SiC MOSFET功率?？樵谟械绱鸥扇藕臀薜绱鸥扇畔碌姆抡婵úㄐ?，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?？槊挥杏跋?。图4为6.5kV新型全SiC MOSFET功率?？樯锨疟酆拖虑疟鄣姆抡婵úㄐ?，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?？橹?，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?？梢栽龃笮酒诓康拿偶缱枥创锏揭种普竦吹哪康?，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 静态特性参数对比
图6为400A IGBT?？椋ù佣疃ǖ缌?000A 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?？橥ㄌ菇刀员?。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?？椋ú缓琒iC 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?？?，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?？槎急硐殖龅ゼ云骷奶匦浴?/div>
2.4 动态特性参数对比
图9为新型全SiC MOSFET功率?？樵?600V/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?？樯锨疟酆拖虑疟墼谑椅潞透呶孪碌目厮俣燃负跬耆谎?，所以其室温和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?？楹托滦腿玈iC MOSFET功率?？榈目úㄐ卧谑椅潞?75℃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?？榉聪蚧指吹缌鞲?，VDS下降速度更慢。而新型全SiC MOSFET功率?？橐蛭聪蚧指吹缌餍?，所以其VDS下降速度更快。同时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?？榈目ㄋ鸷暮头聪蚧指此鸷南喽愿?，主要原因是反向恢复时，新型全SiCMOSFET功率?？榈募纳宥懿坏纪?。
在175℃时，传统全SiC MOSFET功率?？樵诳ㄊ被嵊幸桓霰冉洗蟮恼竦?，而振荡可能造成电磁干扰，进而影响?？榈陌踩ぷ?。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?？?，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?？橹校斐梢陨喜钜斓闹饕蚴谴橙玈iC MOSFET功率?？橛幸徊愫竦耐庋硬?，在反向恢复时会产生比较大的反向恢复电流。
图11为Si IGBT?？椤⒋橙玈iC MOSFET功率?？楹托滦腿玈iC MOSFET功率?？榈目厮鸷亩员龋⊿i IGBT模块与全SiCMOSFET功率?？榉直鹕柚迷谧罴芽厮俣龋４油贾锌梢钥闯?，全SiC MOSFET功率?？樗鸷拿飨孕∮赟i IGBT?？?。并且，在175℃时，新型全SiC MOSFET功率模块比传统全SiC MOSFET功率?？榭ㄋ鸷牡?8%，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IO=200A的工况下，对比了采用Si IGBT?？椋?50℃）、传统全SiC MOSFET功率?？椋?75℃）和新型全SiC MOSFET功率?？椋?75℃）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?？榈?4%，同时传统全SiC MOSFET功率?？楹托滦腿玈iC MOSFET功率?？橄嗖詈苄?。
在fs=2kHz，全SiC MOSFET功率?？楸萐i IGBT?？榈?5%，而新型全SiC MOSFET功率?？橄喽源橙玈iCMOSFET功率模块低7%。在fs=10kHz，开关损耗占据很大比例，此时全SiC MOSFET功率?？楸萐i 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?？榈?6%。从以上可以看出，新型全SiCMOSFET功率?？楦屎细咂怠⒏呶掠τ?。
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?？?。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?？樘寤?，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?？槲蘼墼赟iC 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?？樵诟呶孪碌纪ㄊ盫DS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?？?、传统全SiC MOSFET功率?？楹托滦腿玈iC MOSFET功率?？榈乃鸷?，在开关频率为10kHz时，新型全SiCMOSFET功率模块的损耗比Si IGBT?？榇蟾诺?2%，比传统全SiC MOSFET功率?？橄喽缘?6%。相对传统全SiC MOSFET功率?？椋捎赟iC 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。
推荐阅读：
特别推荐
- 告别多芯片拼接：力芯微发布车规级LED驱动芯，专为汽车LED照明应用量身定制
- 艾迈斯欧司朗新款紧凑型RGGB LED要让AR眼镜的户外画面像手机一样鲜艳
- 深度剖析触摸开关的工作原理与设计优势
- 响应快、覆盖全！东芝推出高集成度双通道比较器助力提升系统故障防护等级
- 电源架构革新：多通道PMIC并联实现大电流输出的设计秘籍
技术文章更多>>
- 技术创新驱动 生态协同赋能——MDC 2025为数字经济注入国产算力新动能
- 充电桩进入“屏”时代：利用智能HMI界面设计提升充电桩的亲和力与使用效率
- 深度剖析触摸开关的工作原理与设计优势
- 电池阻抗谱（EIS）如何精准量化电芯的“体质”好坏？
- 新一代μModule稳压器如何实现能效与热性能双提升？
技术白皮书下载更多>>
- 车规与基于V2X的车辆协同主动避撞技术展望
- 数字隔离助力新能源汽车安全隔离的新挑战
- 汽车?？榕赘涸氐慕饩龇桨?/a>
- 车用连接器的安全创新应用
- Melexis Actuators Business Unit
- Position / Current Sensors - Triaxis Hall
热门搜索
蓝牙
蓝牙4.0
蓝牙?？?/a>
浪涌?；て?/a>
雷度电子
锂电池
利尔达
连接器
流量单位
漏电保护器
滤波电感
滤波器
路由器设置
铝电解电容
铝壳电阻
逻辑IC
马达控制
麦克风
脉冲变压器
铆接设备
梦想电子
模拟锁相环
耐压测试仪
逆变器
逆导可控硅
镍镉电池
镍氢电池
纽扣电池
欧胜
耦合技术
反馈意见：editor@eecnt.com
客服电话：0755-26727371
Copyright? www.5r3h.cn
深圳市中电网络技术有限公司版权所有
粤ICP备10202284号-1
未经书面许可，不得转载本网站内容。
友情链接(QQ：317243736)
我爱方案网 ICGOO元器件商城 创芯在线检测 芯片查询 天天IC网 电子产品世界 无线通信?？?/a> 控制工程网 电子开发网 电子技术应用 与非网 世纪电源网 21ic电子技术资料下载 电源网 电子发烧友网 中电网 中国工业电器网 连接器 矿山设备网 工博士 智慧农业 工业路由器 天工网 乾坤芯 电子元器件采购网 亚马逊KOL 聚合物锂电池 工业自动化设备 企业查询 工业路由器 元器件商城 连接器 USB中文网 今日招标网 塑料机械网 农业机械 中国IT产经新闻网 高低温试验箱
关闭
?
关闭