鐵路牽引變流器作為軌道交通車輛動(dòng)力系統(tǒng)的核心部件，正朝著高可靠性、高功率密度和高效率方向發(fā)展。目前IGBT仍是鐵路牽引領(lǐng)域的主流功率半導(dǎo)體器件，但是SiC MOSFET模塊的應(yīng)用正在加速。本文重點(diǎn)介紹三菱電機(jī)SiC MOSFET模塊的高功率密度和低損耗設(shè)計(jì)。

上一篇文章重點(diǎn)介紹三菱電機(jī)SiC MOSFET模塊的可靠性設(shè)計(jì)，本章節(jié)在上一篇的基礎(chǔ)上，將從高功率密度和高效率方面來進(jìn)一步闡述三菱電機(jī)面向鐵路牽引領(lǐng)域應(yīng)用的SiC MOSFET模塊。

1高功率密度

鐵路牽引行業(yè)常用的傳統(tǒng)IGBT封裝如圖1所示，隨著Si IGBT芯片技術(shù)的不斷優(yōu)化，我司在H系列的基礎(chǔ)上，陸續(xù)開發(fā)了R系列和X系列，功率密度不斷提升，如表1所示。

圖1：用于鐵路牽引的IGBT模塊

表1：傳統(tǒng)封裝IGBT模塊對(duì)比

為了進(jìn)一步提升功率密度，三菱電機(jī)開發(fā)了LV100封裝，如圖2所示。采用LV100封裝的Si IGBT模塊和SiC MOSFET模塊如表2所示?？梢姡琇V100封裝可以提升功率密度，如果裝載SiC MOSFET，其功率密度會(huì)進(jìn)一步提升，并且SiC MOSFET 175℃的最高工作結(jié)溫使其輸出電流能力大大提升。

圖2：LV100封裝功率模塊

表2：LV100封裝Si IGBT與SiC MOSFET對(duì)比

2高效率

圖3是我司Si IGBT模塊（CM600DA-66X）和SiC MOSFET模塊（FMF750DC-66A）在相同條件下(VCC=1800V, IC=600A, Tj=150°C, LS=65nH)的開通波形對(duì)比。從圖中可以看出，SiC MOSFET漏源電壓下降速度更快，且開通電流尖峰變小很多，這是因?yàn)镾iC MOSFET模塊內(nèi)部采用的反并聯(lián)SiC SBD是單極性器件（僅多數(shù)載流子參與導(dǎo)電），二極管關(guān)斷時(shí)無少數(shù)載流子復(fù)合過程。

圖3：Si IGBT開通波形（左）和SiC MOSFET開通波形（右）

圖4是我司Si IGBT模塊（CM600DA-66X）和SiC MOSFET模塊（FMF750DC-66A）在相同條件下(VCC=1800V, IC=600A, Tj=150°C, LS=65nH)的關(guān)斷波形對(duì)比。從圖中可以看出，SiC MOSFET漏源電壓上升速率更快，且漏極電流關(guān)斷時(shí)沒有拖尾現(xiàn)象，同樣是因?yàn)镾iC MOSFET是單極性器件，關(guān)斷時(shí)無少數(shù)載流子復(fù)合過程。

圖4：Si IGBT關(guān)斷波形（左）和SiC MOSFET關(guān)斷波形（右）

為進(jìn)一步降低損耗并提升效率，我司開發(fā)了SBD嵌入式SiC MOSFET模塊（FMF800DC-66BEW※1, FMF400DC-66BEW※1, FMF200DC-66BE）。如表3所示，在相同條件下(VCC=1800V, IC=600A, Tj=150°C)，SBD嵌入式SiC MOSFET模塊的總開關(guān)損耗相對(duì)Si IGBT模塊下降91.8%，相對(duì)上一代SiC MOSFET模塊下降64.3%。從而提高了牽引變流器的效率，減少電力消耗。

表3： LV100封裝Si IGBT與SiC MOSFET開關(guān)損耗對(duì)比

※1：屬于日本《出口貿(mào)易管理令》表1第2(41)3項(xiàng)的產(chǎn)品

正文完

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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2025年3月31日的財(cái)年，集團(tuán)營收55217億日元（約合美元368億）。作為一家技術(shù)主導(dǎo)型企業(yè)，三菱電機(jī)擁有多項(xiàng)專利技術(shù)，并憑借強(qiáng)大的技術(shù)實(shí)力和良好的企業(yè)信譽(yù)在全球的電力設(shè)備、通信設(shè)備、工業(yè)自動(dòng)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69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(dòng)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。