功率模块从硅IGBT技术过渡到基于SiC MOSFET技术是不可避免的。然而，从硅IGBT时代留下来的外形尺寸偏好仍然阻碍着SiC技术的商业化，因为它们已经被认为具有较高的寄生电感。三菱电机打破了这一僵局，开发出一种改进型NX封装，其内部母线结构适用于SiC MOSFET。
Narender Lakshmanan，Eugen Stumpf，三菱电机欧洲有限公司
引言
过去几十年来，硅IGBT芯片技术不断发展，从一代芯片到下一代芯片获得的改进幅度越来越小（如图1所示）。这表明每一代新芯片都越来越接近材料本身的物理极限。
图1：各代硅IGBT在额定电流下Eoff×VCE(sat)的比较
诸如SiC MOSFET的宽禁带半导体提供了实现半导体总功率损耗的显著降低的可能性。使用SiC MOSFET可以降低开关损耗，从而提高开关频率。进一步的，可以优化滤波器组件，相应的损耗会下降，从而全面减少系统损耗。
挑战：SiC MOSFET的封装考虑因素
使用SiC MOSFET可以降低开关损耗，因为它们的开关速度比Si IGBT快得多。然而，在功率模块运行期间实现高开关速度存在一定的挑战。
开关过电压：MOSFET关断期间的电压过冲（ΔVDS）是功率模块封装的杂散电感（LS）和漏极电流变化率的函数（dID/dt）。
图2：VDS峰值与dID/dt
图3：NX模块内部布局（左），传统NX模块Turn-on电流波形（右）
从图2可以推断出，封装的内部电感越高，允许的dID/dt最大值就越低。
内部电流平衡：功率模块的额定电流取决于封装内可并联的芯片数量。在静态和动态运行期间，保持芯片之间漏极电流的均匀分布非常重要。因此，功率模块封装的设计必须确保各个芯片之间的电流平衡。
外形尺寸偏好和挑战：额定电流在几百安培范围内的650V、1200V或1700V等级的半桥硅IGBT模块广泛采用NX封装，该封装多年来已在工业、电源转换领域确定了自己的地位。理想情况下，保持现有功率模块外形尺寸（例如已有的NX封装）是有利的。然而，传统NX封装的内部电感（LS）约为20nH，因此不适合采用SiC。此外，从图3中可以明显看出，传统NX封装要求硅IGBT芯片沿功率模块的长轴放置。因此，芯片之间的动态均流并不是最佳的，这对直接采用SiC提出了挑战。
解决方案：采用SiC的低电感NX封装
为了采用SiC，NX封装的内部布局进行了修改。修改后的NX封装内部横截面如图4所示。
图4：采用SiC的改进型NX封装内部横截面
DC+和DC-母线采用“叠层结构”，尽可能靠近彼此（由绝缘层隔开），以最大限度地提高磁场补偿。此外，DC+和DC-母线直接连接到基板上，避免通过键合线连接到端子产生额外的杂散电感。而且，芯片不会沿模块的长轴放置（如使用硅IGBT的传统NX设计的情况）。为了实现不同芯片之间的最佳均流，已经开发了一种优化的电路图形（参见图5）。经测得，改进后的低电感NX模块的内部电感为9nH。与传统的NX功率模块相比，寄生电感降低了约47%。
图5：改进型NX封装的内部布局（左），改进型NX封装的Turn-on电流波形（右）
产品说明
图6：NX SiC模块照片
NX SiC模块已推出额定值为1700V/600A（FMF600DXE-34BN）和额定值为1200V/600A（FMF600DXE-24BN）并采用半桥拓扑结构（2in1配置）的两款器件。功率模块采用陶瓷绝缘基板（AlN基板），并采用硅凝胶灌封。这两款功率模块采用的是基于三菱电机的第2代SiC芯片技术。
性能基准
为了了解使用改进型SiC NX模块带来的性能提升，可以考虑以下项目进行基准测试：
I. 改进型NX封装的影响（与传统NX封装相比）
II. SiC MOSFET芯片技术本身的性能基准（与Si IGBT技术相比）
第I项可以使用图7所示的折衷关系来分析-感性电压过冲（SiC MOSFET为VDS[V]，IGBT为VCE[V]）和turn-off关断能量（Eoff[mJ/Pulse]）。从图7中可以得出以下推论：考虑工作条件为DC-Link=1000V，IC（或ID）=600A和Tvj=150℃
a）传统NX封装：红色曲线表示采用传统NX封装（LS=~20nH）的第7代1700V Si IGBT和第2代1700V SiC MOSFET的VCE[V]。采用相同（传统）封装的SiC MOSFET有可能实现更低的关断损耗（Eoff），但电感电压过冲无法在RBSOA（反向偏置安全工作区）内保持足够的安全裕量。
b）改进型低电感NX封装：蓝色曲线表示改进型低电感NX封装1700V SiC MOSFET的VDS。可以看出，RBSOA可以保持在安全范围内，而不会影响Eoff，由于LS=9nH，因此可以选择更低的关断栅极电阻。
图7：传统NX封装和新低电感NX封装第2代SiC的VDS峰值与Eoff的关系。
包括第7代Si IGBT性能以供参考
第II项可以使用图8进行分析，该图展示了第7代1700V硅IGBT（采用传统NX封装）和第2代SiC MOSFET（采用传统和低电感NX封装）的功耗和结温比较。根据图8的结论：通过采用改进型低电感SiC MOSFET，在保持NX封装外形的同时，与Si IGBT模块相比，功率损耗可以降低约72%。因此，可以将开关频率提5倍（实现显著的滤波器优化），同时保持最高结温低于最大规定值。
图8：考虑到传统和新低电感NX封装，第7代硅IGBT和第2代SiC的归一化功率损耗
总结
为了保持竞争优势，同时也为了使最终用户获得经济效益，一定程度的效率和紧凑性成为每一种功率转换应用的优势所在。每一代硅IGBT都以同样的理由——更好的功率损耗性能——成功的取代了上一代产品。随着硅IGBT技术的发展达到饱和，SiC MOSFET变得越来越有吸引力。从硅全面过渡到SiC的最后一个技术前沿是——采用硅IGBT的功率模块的外形尺寸。三菱电机的改进型低电感NX封装和第2代SiC MOSFET旨在解决这一难题，从而为各种功率转换提供可行的解决方案。
参考文献
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[4]Ryo Goto et al.,”Advanced PKG technology for SiC in the NX Package”, PCIM Europe 2023. DOI 10.30420/566091120.
三菱电机创立于1921年，是全球知名的综合性企业。截止2023年3月31日的财年，集团营收50036亿日元（约合美元373亿）。作为一家技术主导型企业，三菱电机拥有多项专利技术，并凭借强大的技术实力和良好的企业信誉在全球的电力设备、通信设备、工业自动化、电子元器件、家电等市场占据重要地位。尤其在电子元器件市场，三菱电机从事开发和生产半导体已有68年。其半导体产品更是在变频家电、轨道牵引、工业与新能源、电动汽车、模拟/数字通讯以及有线/无线通讯等领域得到了广泛的应用。
原文始发于微信公众号（三菱电机半导体）：【论文】基于NX封装的低杂感SiC MOSFET模块