每天我們醒來打開燈、咖啡機或電爐準備早餐，我們都希望所有的電動機、加熱器和燈泡都能正常工作。盡管全球有數(shù)十億臺設(shè)備在運行——所有這些設(shè)備都有望在輕按開關(guān)的情況下工作——但我們每天都會增加更多需要 100% 可靠供電的系統(tǒng)。如此之多，以至于電力需求在過去二十年中翻了一番，預(yù)計在接下來的二十年里幾乎還會再翻一番。

一方面，必須增加電力生產(chǎn)以滿足不斷增長的需求。這種增長需要來自對環(huán)境無害的資源，例如海上和陸上風能、光伏、泵浦水力發(fā)電和其他可再生能源發(fā)電技術(shù)。

另一方面，必須可靠地將產(chǎn)生的電力分配到需要的地方，并盡可能減少損失。在將能源轉(zhuǎn)化為電、熱、光或機械運動的鏈條中，處于電子系統(tǒng)核心的功率半導(dǎo)體是提高能量轉(zhuǎn)換效率的關(guān)鍵。

為了提高效率并減少能源系統(tǒng)對環(huán)境的整體影響，新型半導(dǎo)體材料必須以更低的損耗提供更高的功率。他們還需要通過降低熱阻同時增加預(yù)期壽命來實現(xiàn)更高電流密度的封裝。

LinPak 是一種功率半導(dǎo)體封裝，已成為牽引、風力變流器、電池存儲系統(tǒng)、光伏、中低壓驅(qū)動器、固態(tài)變壓器等各種應(yīng)用的標準。為了提高效率，使用了 SiC 等新型半導(dǎo)體材料。與 Si 相比，SiC 具有一系列無疑更好的特性，特別是更高的電場強度和熱導(dǎo)率。在本文中，我們將簡要介紹設(shè)計此類設(shè)備的過程以及如何對其進行優(yōu)化以在客戶應(yīng)用程序中獲得更好的性能。

具有高 K 電介質(zhì)的 SiC

SiC 的卓越特性使帶有 SiC MOSFET 的模塊更加緊湊，其開關(guān)損耗僅為相應(yīng) Si IGBT 模塊通常相關(guān)的一小部分。碳化硅的最大挑戰(zhàn)是成本和可靠性。例如，柵極電介質(zhì)，尤其是與半導(dǎo)體的界面，對退化高度敏感。

一方面，由于更高的介電常數(shù)和更高的介電電容（C D = ε D /t D），HKMOSFET 的 R DSon低于 SiO2 柵極電介質(zhì)（圖 1）。另一方面，甚至更重要的是，它降低了界面陷阱態(tài) （D it ） 的密度，從而導(dǎo)致閾值電壓 V th的魯棒性無與倫比，即使在 V GS的數(shù)千個循環(huán)之后也是如此從 +15 V 掃描到 -15 V（圖 2）。這確保了即使器件在工作期間受到不希望的柵極電壓擺動的影響，開關(guān)特性也將保持恒定。通過增加溝道寬度和減小器件間距來進一步優(yōu)化器件性能。這將降低導(dǎo)通電阻 R DSon以及開關(guān)損耗。

模塊設(shè)計優(yōu)化

SiC 裸片的缺陷密度是增加成本的主要因素之一。為使模具價格實惠，它們的制造占地面積很小（即 5X5 毫米）。小芯片尺寸帶來的挑戰(zhàn)是，對于比較額定值 - 就像 Si IGBT 一樣 - 許多 SiC MOSFET（最多 40 個）需要在 LinPak 模塊中并聯(lián)連接。

圖 1. LG=250nm 和單元間距為 14μm 的高 k 和 SiO2 3.3kV MOSFET 的輸出特性 （A） 和 RDSON 從 25°C 到 200°C （B）。

圖片由 Bodo‘s Power Systems提供

圖 2. （A） 具有極端柵極變化的重復(fù)開啟/關(guān)閉開關(guān) （B） 在重復(fù) VGS 掃描期間 Vth 變化。

圖片由 Bodo’s Power Systems提供

這種快速開關(guān) SiC MOSFET 的并聯(lián)導(dǎo)致了重大的電磁設(shè)計挑戰(zhàn)。為了提供低開關(guān)損耗和可靠運行，必須確保無臨界振蕩的快速開關(guān)以及 MOSFET 之間平衡的靜態(tài)和動態(tài)電流共享。

自 2018 年以來，日立能源半導(dǎo)體（原 ABB）推出了基于 LV LinPak 平臺開發(fā)的 1.7 和 3.3 kV SiC 大功率模塊。SiC 模塊采用了創(chuàng)新的多級模塊概念，可以非常靈活地路由主電流和控制信號。基于此概念，已證明在單個開關(guān)內(nèi)使用多達 40 個并聯(lián)的 SiC MOSFET 可實現(xiàn)快速可靠的開關(guān)。此外，結(jié)合優(yōu)化的測試設(shè)置，可以實現(xiàn)接近分立器件的模塊開關(guān)損耗 ［7］。

日立能源半導(dǎo)體多年來一直在收集用戶反饋，并將其用于進一步改進模塊設(shè)計。現(xiàn)已開發(fā)出新的第二代 SiC LinPak，其重點在于：

更高的模塊性能，更低的開關(guān)損耗

與第一代設(shè)計相比降低了復(fù)雜性，提高了可制造性

第一代 SiC LinPak 內(nèi)部柵極電阻器（放置在每個模塊基板上）用于避免所有工作條件下的柵極振蕩。盡管這些柵極電阻器使模塊開關(guān)非常穩(wěn)健，但它們限制了模塊的最小開關(guān)損耗。因此，為了進一步降低模塊開關(guān)損耗，對現(xiàn)有的電磁設(shè)計進行了進一步改進。首先分析該設(shè)計以確定振蕩的根本原因。經(jīng)過分析，提出了補救措施并在新模塊設(shè)計中實施。這些模塊設(shè)計進一步優(yōu)化，以最大限度地減少對內(nèi)部柵極電阻器的安全操作需求并降低整體模塊復(fù)雜性。

在模塊設(shè)計優(yōu)化過程中，使用了以下步驟 - 結(jié)合迭代循環(huán)：

使用 Ansys Q3D Extractor 確定和優(yōu)化寄生電感（圖 3）。主要目標是在所有并聯(lián)的 MOSFET 之間實現(xiàn)平衡的雜散電感、平衡的柵極電感和平衡的負柵極耦合。圖 4 說明了通過設(shè)計優(yōu)化實現(xiàn)的柵極電感改進。

提取的寄生參數(shù)用于評估使用 SIMetrix 的每個模塊設(shè)計的開關(guān)性能。為了在沒有臨界振蕩的情況下實現(xiàn)快速開關(guān)，以及在實際模塊中的半導(dǎo)體器件之間實現(xiàn)平衡的靜態(tài)和動態(tài)電流共享，對基于每個開關(guān) 20 和 40 個 MOSFET 裸片的 SiC LinPak 的雙脈沖測試進行了仿真。在模擬過程中，對構(gòu)成半橋上下開關(guān)的每個 MOSFET 的電壓、電流和控制信號進行監(jiān)測。

最近開發(fā)的具有多個可調(diào)參數(shù)的 SPICE 模型也使我們能夠研究 MOSFET 參數(shù)的偏差（容差）對模塊開關(guān)性能的影響。

四個新開發(fā)和優(yōu)化的模塊設(shè)計顯示了 MOSFET 之間的雜散電感、柵極電感和柵極耦合的最佳平衡以及無臨界振蕩的開關(guān)瞬態(tài)，用于組裝和測試 1.7 kV SiC LinPak。原型基于與上一代模塊相同的 SiC MOSFET。原型的開關(guān)瞬態(tài)和開關(guān)損耗是在雙脈沖測試中使用為快速開關(guān) SiC LinPak 優(yōu)化的測試設(shè)置確定的。

圖 3. 用于提取寄生參數(shù)的完整 SiC LinPak 的 Q3D 模型。圖片由 Bodo‘s Power Systems提供

圖 4. 在優(yōu)化過程中實現(xiàn)的柵極電感平衡得到改善。（A） 為先前版本的 SiC LinPak（上下開關(guān)）確定了柵極電感。位于基板 1 上的開關(guān) 1-10 和位于基板 2 上的開關(guān) 11-20 的電感平衡良好。位于一個基板上的器件之間的最大差異約為 2%。然而，位于不同基板上的 MOSFET 之間的差異，幾乎是 20%。（B） 為改進版圖確定了柵極電感。現(xiàn)在任何兩個并聯(lián)的 MOSFET 之間的最大差異小于 5%。圖片由 Bodo’s Power Systems提供

概念 1 – 版本 1。關(guān)閉 （R g_ext = 1.5 Ohm）。E on = 161.22 兆焦耳。圖片由 Bodo‘s Power Systems提供

概念 1 – 版本 1。開啟 （R g_ext = 1.5 Ohm）。E on = 98.47 兆焦耳。圖片由 Bodo’s Power Systems提供

概念 1 – 版本 2。關(guān)閉 （R g_ext = 1.5 Ohm）。E on = 126.48 mJ。圖片由 Bodo‘s Power Systems提供

概念 1 – 版本 2。開啟 （R g_ext = 1.5 Ohm）。E on = 75.21 兆焦耳。圖片由 Bodo’s Power Systems提供

概念 2 – 版本 1。關(guān)閉 （R g_ext = 1.5 Ohm）。E on = 133.7 mJ 圖片由 Bodo‘s Power Systems提供

概念 2 – 版本 1。開啟 （R g_ext = 1.5 Ohm）。E on = 80.56 兆焦耳。圖片由 Bodo’s Power Systems提供

概念 2 – 版本 2。關(guān)閉 （R g_ext = 1.5 Ohm）。E on = 98.77 兆焦耳。圖片由 Bodo‘s Power Systems提供

概念 2 – 版本 2。開啟 （R g_ext = 1.5 Ohm）。E on = 57.18 兆焦耳。圖片由 Bodo’s Power Systems提供

圖 5. 為所有四種評估模塊設(shè)計測量的開關(guān)瞬態(tài)。

圖 5 顯示了使用 1.5 歐姆外部柵極電阻器對所有四個測試模塊設(shè)計測量的開啟和關(guān)閉開關(guān)瞬態(tài)示例。該圖還包括相應(yīng)的開關(guān)損耗。

圖 6. 使用 0 Ω 外部柵極電阻器（UDS = 900 V，ID=840A）在 150 °C 下確定的總開關(guān)損耗比較。從左到右： - Si IGBT 模塊的損耗 - 第一代 SiC LinPak - 評估概念 1（版本 1） - 評估概念 1（版本 2） - 評估概念 2（版本 1） - 評估概念 2（版本 2） 編號上條表示與之前版本的 SiC LinPak 相比，開關(guān)損耗有所降低。圖片由 Bodo‘s Power Systems提供

圖 6 比較了不使用外部柵極電阻器時在 150°C 下測得的開關(guān)損耗。在所有四種情況下，由于改進了電磁模塊設(shè)計，需要更少或不需要內(nèi)部（基板）柵極電阻，因此與第一代 SiC LinPak 相比，開關(guān)損耗更低。在一種情況下，開關(guān)損耗甚至可以與按比例分立的 SiC MOSFET 的開關(guān)損耗相媲美。

輸出模擬

為了評估 SiC LinPak 新設(shè)計的性能改進，對可能的風能應(yīng)用進行了一系列模擬。將兩個模塊（20 個 MOSFET 管芯/開關(guān) 5SFG 0900X170100、40 個 MOSFET 管芯/開關(guān) 5SFG 1800X170100）與現(xiàn)有的 Si IGBT LinPak （5SNG 1000X170300） 進行了比較。

模擬條件

拓撲2 級全部

基頻 f10赫茲

開關(guān)頻率 fc2000赫茲

控制三次諧波注入

相電流I Ph f（fc） @ T vjMax或 600A

功率因數(shù)1.0

直流電壓1180 伏

電壓 LL690 伏有效值

環(huán)境溫度45°C

R th冷卻器11千/千瓦

圖 7. 2 級 VSI 的電流輸出與頻率的關(guān)系。圖片由 Bodo’s Power Systems提供

在電流輸出與頻率的平坦曲線中，900 A SiC 模塊的開關(guān)損耗要低得多（見圖 7）。人們還看到，當許多 MOSFET 芯片并聯(lián)封裝時，即 40 pcs/switch 時，需要降低開關(guān)速度，從而影響開關(guān)損耗。即使在這種情況下，1800 A SiC 模塊也具有更平坦的電流與頻率輸出。這意味著對于給定的輸出電流，即 800 A，基于 SiC MOSFET 的 LinPak 模塊的開關(guān)速度是等效 Si IGBT 的兩倍。這對于所需的過濾有明顯的好處。

在風能應(yīng)用中，10Hz 范圍內(nèi)的極低基頻是一個很大的挑戰(zhàn)，因為根據(jù)當前負載，它會導(dǎo)致 20-40 K 的恒定 IGBT 結(jié)溫紋波。使用連續(xù)運行的極端情況計算，超過在轉(zhuǎn)換器的生命周期中，預(yù)計會有 100 億次這樣的循環(huán)。當使用體二極管進行三次方操作時，SiC MOSFET 在兩個電流方向上使用相同的半導(dǎo)體面積，與等效的 IGBT/續(xù)流二極管解決方案相比，降低了溫度紋波。這對此類模塊的可靠性具有重要意義。

日立能源半導(dǎo)體自 2018 年以來一直提供 SiC LinPak 演示模塊。近年來，為了更好地適應(yīng)這些經(jīng)過改進的新芯片，我們在改進 SiC MOSFET 性能和穩(wěn)健性以及 LinPak 封裝方面做了進一步的工作。MOSFET 柵極上的高 k 電介質(zhì)改善了關(guān)鍵指標 RDSon，并在柵極暴露于電壓波動時顯著提高了其穩(wěn)健性。

該封裝通過執(zhí)行電磁仿真和電氣測試進一步優(yōu)化，以實現(xiàn)開關(guān)損耗、可制造性和可靠性之間的最佳折衷。最后，以風能兩電平變流器為例，對模塊的性能進行了仿真，并與標準的 IGBT/FWD 模塊進行了比較。事實證明，SiC LinPak 是進一步提高 21 世紀各種應(yīng)用（如風能、太陽能、牽引、固態(tài)變壓器等）的性能和可靠性的正確選擇。