功率模塊從硅IGBT技術(shù)過渡到基于SiC MOSFET技術(shù)是不可避免的。然而，從硅IGBT時代留下來的外形尺寸偏好仍然阻礙著SiC技術(shù)的商業(yè)化，因為它們已經(jīng)被認為具有較高的寄生電感。三菱電機打破了這一僵局，開發(fā)出一種改進型NX封裝，其內(nèi)部母線結(jié)構(gòu)適用于SiC MOSFET。
作者
Narender Lakshmanan，Eugen Stumpf，三菱電機歐洲有限公司
引言
過去幾十年來，硅IGBT芯片技術(shù)不斷發(fā)展，從一代芯片到下一代芯片獲得的改進幅度越來越�。ㄈ�圖1所示）。這表明每一代新芯片都越來越接近材料本身的物理極限。
圖1：各代硅IGBT在額定電流下Eoff×VCE(sat)的比較
諸如SiC MOSFET的寬禁帶半導(dǎo)體提供了實現(xiàn)半導(dǎo)體總功率損耗的顯著降低的可能性。使用SiC MOSFET可以降低開關(guān)損耗，從而提高開關(guān)頻率。進一步的，可以優(yōu)化濾波器組件，相應(yīng)的損耗會下降，從而全面減少系統(tǒng)損耗。
挑戰(zhàn)：SiC MOSFET的封裝考慮因素
使用SiC MOSFET可以降低開關(guān)損耗，因為它們的開關(guān)速度比Si IGBT快得多。然而，在功率模塊運行期間實現(xiàn)高開關(guān)速度存在一定的挑戰(zhàn)。
開關(guān)過電壓：MOSFET關(guān)斷期間的電壓過沖（ΔVDS）是功率模塊封裝的雜散電感（LS）和漏極電流變化率的函數(shù)（dID/dt）。
圖2：VDS峰值與dID/dt
圖3：NX模塊內(nèi)部布局（左），傳統(tǒng)NX模塊Turn-on電流波形（右）
從圖2可以推斷出，封裝的內(nèi)部電感越高，允許的dID/dt最大值就越低。
內(nèi)部電流平衡：功率模塊的額定電流取決于封裝內(nèi)可并聯(lián)的芯片數(shù)量。在靜態(tài)和動態(tài)運行期間，保持芯片之間漏極電流的均勻分布非常重要。因此，功率模塊封裝的設(shè)計必須確保各個芯片之間的電流平衡。
外形尺寸偏好和挑戰(zhàn)：額定電流在幾百安培范圍內(nèi)的650V、1200V或1700V等級的半橋硅IGBT模塊廣泛采用NX封裝，該封裝多年來已在工業(yè)、電源轉(zhuǎn)換領(lǐng)域確定了自己的地位。理想情況下，保持現(xiàn)有功率模塊外形尺寸（例如已有的NX封裝）是有利的。然而，傳統(tǒng)NX封裝的內(nèi)部電感（LS）約為20nH，因此不適合采用SiC。此外，從圖3中可以明顯看出，傳統(tǒng)NX封裝要求硅IGBT芯片沿功率模塊的長軸放置。因此，芯片之間的動態(tài)均流并不是最佳的，這對直接采用SiC提出了挑戰(zhàn)。
解決方案：采用SiC的低電感NX封裝
為了采用SiC，NX封裝的內(nèi)部布局進行了修改。修改后的NX封裝內(nèi)部橫截面如圖4所示。
圖4：采用SiC的改進型NX封裝內(nèi)部橫截面
DC+和DC-母線采用“疊層結(jié)構(gòu)”，盡可能靠近彼此（由絕緣層隔開），以最大限度地提高磁場補償。此外，DC+和DC-母線直接連接到基板上，避免通過鍵合線連接到端子產(chǎn)生額外的雜散電感。而且，芯片不會沿模塊的長軸放置（如使用硅IGBT的傳統(tǒng)NX設(shè)計的情況）。為了實現(xiàn)不同芯片之間的最佳均流，已經(jīng)開發(fā)了一種優(yōu)化的電路圖形（參見圖5）。經(jīng)測得，改進后的低電感NX模塊的內(nèi)部電感為9nH。與傳統(tǒng)的NX功率模塊相比，寄生電感降低了約47%。
圖5：改進型NX封裝的內(nèi)部布局（左），改進型NX封裝的Turn-on電流波形（右）
產(chǎn)品說明
圖6：NX SiC模塊照片
NX SiC模塊已推出額定值為1700V/600A（FMF600DXE-34BN）和額定值為1200V/600A（FMF600DXE-24BN）并采用半橋拓撲結(jié)構(gòu)（2in1配置）的兩款器件。功率模塊采用陶瓷絕緣基板（AlN基板），并采用硅凝膠灌封。這兩款功率模塊采用的是基于三菱電機的第2代SiC芯片技術(shù)。
性能基準
為了了解使用改進型SiC NX模塊帶來的性能提升，可以考慮以下項目進行基準測試：
I. 改進型NX封裝的影響（與傳統(tǒng)NX封裝相比）
II. SiC MOSFET芯片技術(shù)本身的性能基準（與Si IGBT技術(shù)相比）
第I項可以使用圖7所示的折衷關(guān)系來分析-感性電壓過沖（SiC MOSFET為VDS[V]，IGBT為VCE[V]）和turn-off關(guān)斷能量（Eoff[mJ/Pulse]）。從圖7中可以得出以下推論：考慮工作條件為DC-Link=1000V，IC（或ID）=600A和Tvj=150℃
a）傳統(tǒng)NX封裝：紅色曲線表示采用傳統(tǒng)NX封裝（LS=~20nH）的第7代1700V Si IGBT和第2代1700V SiC MOSFET的VCE[V]。采用相同（傳統(tǒng)）封裝的SiC MOSFET有可能實現(xiàn)更低的關(guān)斷損耗（Eoff），但電感電壓過沖無法在RBSOA（反向偏置安全工作區(qū)）內(nèi)保持足夠的安全裕量。
b）改進型低電感NX封裝：藍色曲線表示改進型低電感NX封裝1700V SiC MOSFET的VDS�？梢钥闯�，RBSOA可以保持在安全范圍內(nèi)，而不會影響Eoff，由于LS=9nH，因此可以選擇更低的關(guān)斷柵極電阻。
圖7：傳統(tǒng)NX封裝和新低電感NX封裝第2代SiC的VDS峰值與Eoff的關(guān)系。
包括第7代Si IGBT性能以供參考
第II項可以使用圖8進行分析，該圖展示了第7代1700V硅IGBT（采用傳統(tǒng)NX封裝）和第2代SiC MOSFET（采用傳統(tǒng)和低電感NX封裝）的功耗和結(jié)溫比較。根據(jù)圖8的結(jié)論：通過采用改進型低電感SiC MOSFET，在保持NX封裝外形的同時，與Si IGBT模塊相比，功率損耗可以降低約72%。因此，可以將開關(guān)頻率提5倍（實現(xiàn)顯著的濾波器優(yōu)化），同時保持最高結(jié)溫低于最大規(guī)定值。
圖8：考慮到傳統(tǒng)和新低電感NX封裝，第7代硅IGBT和第2代SiC的歸一化功率損耗
總結(jié)
為了保持競爭優(yōu)勢，同時也為了使最終用戶獲得經(jīng)濟效益，一定程度的效率和緊湊性成為每一種功率轉(zhuǎn)換應(yīng)用的優(yōu)勢所在。每一代硅IGBT都以同樣的理由——更好的功率損耗性能——成功的取代了上一代產(chǎn)品。隨著硅IGBT技術(shù)的發(fā)展達到飽和，SiC MOSFET變得越來越有吸引力。從硅全面過渡到SiC的最后一個技術(shù)前沿是——采用硅IGBT的功率模塊的外形尺寸。三菱電機的改進型低電感NX封裝和第2代SiC MOSFET旨在解決這一難題，從而為各種功率轉(zhuǎn)換提供可行的解決方案。
參考文獻
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