說(shuō)到減少碳化硅MOSFET開(kāi)關(guān)損耗，完全有可能，但讓電力模塊在運(yùn)行時(shí)保持高開(kāi)關(guān)速度，那可不是一件輕松的事。

01

我們得接受這個(gè)現(xiàn)實(shí)：電力模塊從依賴硅IGBT技術(shù)轉(zhuǎn)向碳化硅MOSFET技術(shù)的趨勢(shì)是擋不住的。可問(wèn)題是，硅IGBT那套行事方式里的一些老舊偏好，比如某些特定的形狀因素，還在阻礙碳化硅的商業(yè)化步伐。因?yàn)檫@些老舊的設(shè)計(jì)往往會(huì)導(dǎo)致較高的寄生電感。幸好，三菱電機(jī)搞出了一種改良的NX封裝，專門用于碳化硅MOSFET，里面還帶有一套巧妙的母線結(jié)構(gòu)。

硅IGBT的芯片技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到了一個(gè)瓶頸，新一代產(chǎn)品相比上一代的提升已經(jīng)小巫見(jiàn)大巫了，也就是說(shuō)，新產(chǎn)品已經(jīng)越來(lái)越接近于材料物理極限了。

寬禁帶半導(dǎo)體像碳化硅MOSFET，它們提供了一個(gè)在整體半導(dǎo)體功率損耗上大幅度減少的機(jī)會(huì)。用碳化硅MOSFET來(lái)減損，一部分得益于降低開(kāi)關(guān)損失的可能，同時(shí)提高開(kāi)關(guān)頻率。這樣一來(lái)，過(guò)濾器組件可以做得更優(yōu)，相應(yīng)的損耗也能降下來(lái)，系統(tǒng)的總損耗也就跟著減少了。

02

再說(shuō)說(shuō)挑戰(zhàn)吧，碳化硅MOSFET封裝要考慮的點(diǎn)可不少。

碳化硅MOSFET比硅IGBT開(kāi)關(guān)得更快，減少開(kāi)關(guān)損耗是有希望的。但要在電力模塊實(shí)際運(yùn)作時(shí)達(dá)到高開(kāi)關(guān)速度，這里面有難度。

開(kāi)關(guān)超調(diào)電壓是個(gè)問(wèn)題：MOSFET關(guān)斷時(shí)的電壓超調(diào)(?VDS)其實(shí)就是電力模塊封裝里的寄生電感(Ls)和漏電流變化率(dID/dt)搞的鬼。封裝內(nèi)部的電感越大，允許的最大(dID/dt)就越低。

還有內(nèi)部電流平衡問(wèn)題：電力模塊能處理多大的電流，關(guān)鍵在于能有多少芯片在封裝里并行。在靜態(tài)和動(dòng)態(tài)操作期間，保持芯片間漏電流的均勻分布至關(guān)重要。于是，設(shè)計(jì)師們就得巧妙設(shè)計(jì)電力模塊的封裝，確保每個(gè)芯片都能得到合理的電流平衡。

至于形狀因素偏好和挑戰(zhàn)，傳統(tǒng)的650V、1200V或1700V級(jí)別的半橋硅IGBT模塊，有的產(chǎn)品電流等級(jí)能達(dá)到好幾百安培，它們普遍采用NX封裝，這種設(shè)計(jì)在工業(yè)電力轉(zhuǎn)換領(lǐng)域用了好幾年。理想情況下，保持現(xiàn)有的電力模塊形狀因素(比如成熟的NX封裝)是最好不過(guò)了。

但是，傳統(tǒng)的NX封裝內(nèi)部電感大概20nH，對(duì)于碳化硅來(lái)說(shuō)不太行。再來(lái)，如上圖，傳統(tǒng)NX封裝需要硅IGBT芯片沿著電力模塊的長(zhǎng)軸排列。這樣芯片間的動(dòng)態(tài)電流共享就不理想，這對(duì)想直接用碳化硅的設(shè)計(jì)師來(lái)說(shuō)是個(gè)大難題。

但好在有適用于碳化硅的低電感NX封裝。NX封裝的內(nèi)部格局已經(jīng)為了適應(yīng)碳化硅而做了改進(jìn)，下圖展示了改良后NX封裝的內(nèi)部剖面圖。

DC+和DC-母線是“層壓結(jié)構(gòu)”，它們盡量貼近放置，還有絕緣層隔開(kāi)，目的是最大化磁場(chǎng)互相抵消。而且DC+和DC-母線是直接粘到基板上，這樣就避免了使用導(dǎo)線進(jìn)行連接導(dǎo)致額外寄生電感的問(wèn)題。

與常規(guī)NX設(shè)計(jì)用硅IGBT不同，芯片不是沿模塊長(zhǎng)軸排列。工程師們還開(kāi)發(fā)了一個(gè)優(yōu)化的電路圖樣，目的是讓不同芯片之間的電流分享更加理想。改良后的低電感NX模塊測(cè)出來(lái)的內(nèi)部電感只有9nH，比常規(guī)NX電力模塊減少了大概47%的寄生電感。

03

現(xiàn)在，NX碳化硅模塊已經(jīng)有1700V/600A (FMF600DXE-34BN)和1200V/600A (FMF600DXE-24BN) 的型號(hào)了。這兩種設(shè)備都采用了半橋拓?fù)?2合1配置)。電力模塊包括了陶瓷基板(AlN基板)并用硅膠進(jìn)行封裝。這些模塊都是基于三菱第二代碳化硅芯片技術(shù)的。

性能基準(zhǔn)測(cè)試, 咱們可以這么搞：

首先得掌握，我們用的這新版的碳化硅NX模塊到底牛在哪兒。得比較一下改進(jìn)前后的情況： 改進(jìn)的NX封裝效果如何，和普通NX封裝相比有啥區(qū)別。碳化硅MOSFET芯片技術(shù)本身，和以前的硅IGBT技術(shù)比起來(lái)，到底提升了多少。

咱們看圖7，對(duì)比一下關(guān)鍵的數(shù)據(jù)點(diǎn)——收集一下感應(yīng)電壓超調(diào)，比如碳化硅MOSFET的VDS (V)和IGBT的VCE (V)，還有關(guān)斷開(kāi)關(guān)能量(Eoff [mJ/脈沖])。設(shè)定一下場(chǎng)景，比如電壓1000V，電流600A，溫度150°C，這樣從圖7里能得出點(diǎn)啥呢?

對(duì)于常規(guī)NX封裝來(lái)說(shuō)，紅線顯示的是第七代1700V的硅IGBT和考慮普通NX封裝(LS 大約是20nH)的1700V第二代碳化硅MOSFET的VCE (V)。用的是同一個(gè)包裝，碳化硅MOSFET能減少關(guān)斷損耗(Eoff)，不過(guò)，電壓超調(diào)就得小心點(diǎn)兒，別超出安全邊際，否則會(huì)進(jìn)入RBSOA(就是一個(gè)不太安全的操作區(qū)域)。

現(xiàn)在再看改進(jìn)后的低電感NX封裝，這回是藍(lán)線顯示的1700V碳化硅MOSFET的VDS。顯而易見(jiàn)的是，RBSOA能保持在安全范圍內(nèi)，對(duì)Eoff也沒(méi)啥影響。電感值LS=9nH的情況下，關(guān)斷門電阻可以選得更低了。

04

接下來(lái)聊聊第二個(gè)項(xiàng)目，如圖它對(duì)比了第七代1700伏硅IGBT(就是常規(guī)NX封裝的)和第二代碳化硅MOSFET(無(wú)論是傳統(tǒng)的還是改進(jìn)后的低電感NX封裝)。

咱們從圖里可以得出的結(jié)論是，用上了這個(gè)新出爐的低電感SiC MOSFET，保持NX封裝的外觀不變，就能比硅IGBT模塊減少72%的功率損耗。因此，開(kāi)關(guān)頻率得以提高5倍，這對(duì)濾波器來(lái)說(shuō)簡(jiǎn)直就是個(gè)大優(yōu)化。同時(shí)，最高結(jié)溫也能保持在規(guī)定范圍以下。

提高功率損失性能，這對(duì)于保持競(jìng)爭(zhēng)力、給終端用戶帶來(lái)經(jīng)濟(jì)效益都至關(guān)重要。每推出新一代的硅IGBT，都是比上一代功率損失性能更強(qiáng)。但是，硅IGBT的發(fā)展快到頭了，碳化硅MOSFET這塊兒就越發(fā)吸引人眼球。

現(xiàn)在最后一個(gè)障礙，就是得讓SiC的電力模塊形狀因子和硅IGBT的一樣。三菱電機(jī)推出的這個(gè)升級(jí)版低電感NX封裝和第二代SiC MOSFET，就是為了解決這個(gè)難題，充分滿足各種電力轉(zhuǎn)換的需求。