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。

作者

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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