半導體器件是當今迅速發(fā)展的各類電力電子設備不可或缺的組成部分，是促進科技發(fā)展、社會進步的重要力量。作為諸多領域技術的創(chuàng)新者，三菱電機在半導體領域扮演著重要的角色。優(yōu)良的技術、現(xiàn)代化的制造工藝和充足的產能是三菱電機成功的關鍵。三菱電機功率器件發(fā)展史如下圖1所示。
圖1：三菱電機功率器件發(fā)展史
20世紀60年代，三菱電機推出了大功率二極管和晶閘管產品。晶閘管在電力電子產品的現(xiàn)代化進程中發(fā)揮了重要作用，并不斷朝著更高的耐壓和更大的電流發(fā)展。20世紀80年代，晶閘管從沒有自滅弧功能的逆阻晶閘管發(fā)展到自滅弧型GTO（Gate Turn Off）晶閘管，這種晶閘管即使在直流電路中也能通過向柵極施加負壓信號，使其從開啟狀態(tài)變?yōu)殛P閉狀態(tài)。此外，GCT（Gate Commutated Turn off）晶閘管繼承了GTO晶閘管的基本結構，并顯著降低了柵極的阻抗，實現(xiàn)了高速運行和高關斷性能。SGCT（Symmetrical Gate Commutated Turn off）晶閘管單元是一種具有反向阻壓能力的GCT晶閘管，通過集成經(jīng)過優(yōu)化設計的柵極驅動器，充分發(fā)揮GCT晶閘管的性能，同時有助于降低系統(tǒng)設計難度。
20世紀80年代，三菱電機開發(fā)了MOSFET（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）模塊和IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）模塊。MOSFET具有高速開關、電壓型驅動和低損耗等優(yōu)點，廣泛應用于各類中小功率電力電子變換電路。IGBT集合了MOSFET的驅動功率小、開關速度快和BJT通態(tài)壓降小、載流能力大的優(yōu)點，成為現(xiàn)代電力電子技術的主要器件，在中大功率電源應用中占重要地位。
三菱電機IGBT芯片發(fā)展史如圖2所示，第4代IGBT芯片結構從平面柵結構發(fā)展為溝槽柵結構。第5代IGBT芯片在溝槽柵IGBT的基礎上增加了電荷存儲層，也即CSTBT™結構，改善了關斷損耗和集電極發(fā)射極飽和壓降的折衷關系，降低功率損耗。在此基礎上，第6代和第7代IGBT芯片不斷優(yōu)化芯片結構，減薄晶圓厚度，損耗得到進一步的降低。
圖2：IGBT芯片發(fā)展路線圖
第7代IGBT模塊結構如圖3所示，采用了直接環(huán)氧灌封（Direct Potting）樹脂和一體化絕緣金屬基板IMB（Insulated Metal Baseplate），去掉了絕緣層和金屬底板之間焊接層，大大提高了IGBT模塊的熱循環(huán)能力。在此基礎上開發(fā)的工業(yè)LV100封裝IGBT（圖4），涵蓋多個電壓等級（已有1.2kV、1.7kV和2kV），具有更高電流密度、更高可靠性，適合光伏、風電、制氫電源及電機驅動等多個場合。
圖3：7th IGBT新型結構
圖4：工業(yè)LV100封裝IGBT
三菱電機于1989年創(chuàng)造性地提出了智能功率模塊IPM（Intelligent Power Module）的概念。如圖5所示，逆變電路、驅動電路和保護電路一體化的解決方案大大減少了系統(tǒng)的體積、成本和開發(fā)時間。
圖5：IPM內部框圖
最新G1系列IPM如圖6，采用與第7代IGBT模塊相同的IGBT芯片和二極管芯片技術，實現(xiàn)極低損耗。除了傳統(tǒng)IPM的控制電源欠壓保護UV（Under Voltage protection）、短路保護SC（Short Circuit）和過熱保護OT（Over Temperature）外，G1系列還增加了開關速度切換和故障識別功能，有助于提高逆變器設備的性能和可靠性。
圖6：G1系列IPM
1996年，三菱電機HVIGBT開始推向市場，憑借其優(yōu)異的性能和高可靠性，在鐵路、電力傳輸?shù)阮I域得到了廣泛的應用。經(jīng)過不斷地優(yōu)化改進，三菱電機陸續(xù)推出了H系列、R系列、X系列，電壓范圍涵蓋1.7kV到6.5kV，IGBT電流等級不斷擴大。
三菱電機最新X系列HVIGBT模塊全系列最高運行結溫至150℃，通過優(yōu)化芯片終端設計和封裝內部結構，增強散熱性、防潮性和阻燃性，提高產品運行可靠性。共包含2類封裝，標準封裝HVIGBT如圖7，LV100/HV100封裝見圖8。
圖7：標準封裝HVIGBT
圖8：LV100/HV100封裝HVIGBT
1997年，三菱電機開發(fā)了壓注模封裝智能功率模塊DIPIPM™，如圖9和圖10所示，內置驅動芯片，不但可以實現(xiàn)單電源驅動，而且集成了欠壓、過溫、過流等保護功能，降低了變流器的設計難度，同時提高了變流器的可靠性。
圖9：DIPIPM™框圖
圖10：DIPIPM™外觀
自第1代DIPIPM™誕生以來，伴隨著IGBT芯片一代代技術的發(fā)展和封裝技術的不斷改進，三菱電機也對DIPIPM™產品不斷進行升級換代，至今已發(fā)展至第7代DIPIPM™，封裝形式也發(fā)展到小型、超小型、SLIMDIP™、SOPIPM™和DIPIPM+™，不斷致力于為客戶提供更高能效、更高集成度、更智能化、更高功率密度和更高性價比的產品。
1997年，三菱電機就將電動汽車專用功率模塊成功用于HEV，積累了大批量生產和應用的經(jīng)驗，截至2023年底，已有2900萬臺裝載了三菱電機功率芯片或功率模塊的電動汽車在路上運行。從第5代開始，三菱電機采用T-PM（Transfer-mold Power Module）壓注模封裝技術，使用環(huán)氧樹脂灌封代替?zhèn)鹘y(tǒng)硅凝膠灌封，提高了抗振性和模塊安裝方向的自由度。J1A系列IGBT模塊采用了DLB（Direct Lead Bonding）連接工藝，把銅端子（銅框架）綁定到芯片上，使芯片溫度分布更均勻，降低了最高溫度，從而改善功率循環(huán)壽命。
最新J3系列車載功率模塊，同樣采用高可靠、易批量生產的壓注模封裝，同一封裝兼容RC-IGBT和SiC MOSFET，支持高速開關和并聯(lián)應用，將幫助客戶進一步提升電動汽車的功率密度和續(xù)航里程。J3-HEXA-S有三個J3-T-PM，J3-HEXA-L有六個J3-T-PM（圖11），兩者都配備專有的散熱片，以適應xEV逆變器的不同功率段設計。
圖11：J3-T-PM、J3-HEXA-S、J3-HEXA-L
三菱電機從1994年開始SiC相關技術研究，已經(jīng)擁有30年的經(jīng)驗。在1994年至2004年的第1個10年中，研發(fā)工作主要針對SiC MOSFET和SiC SBD等芯片技術本身。2005年至2009年，三菱電機將開發(fā)重點集中到了SiC功率模塊的應用，為此，三菱電機設計并評測了多種應用場合的基于SiC功率器件的逆變器。2010年至2014年，SiC功率模塊開始商業(yè)化，在此期間，三菱電機推出了多種類型的第1代全SiC功率模塊和混合SiC功率模塊。
目前，6英寸第2代平面柵SiC MOSFET穩(wěn)定量產中，第3代SBD嵌入式SiC MOSFET和第4代溝槽柵SiC MOSFET將逐步被采用。從600V到3300V，數(shù)十款SiC功率模塊已在家電、工業(yè)、新能源、汽車和牽引等領域獲得商業(yè)化應用。新推出的3300V，200A/400A/800A Unifull™系列SiC MOSFET模塊（圖12）可顯著降低開關損耗并提高其性能。
圖12：Unifull™ 3300V SiC MOSFET模塊