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。盡管全球有數十億臺設備在運行——所有這些設備都有望在輕按開關的情況下工作——但我們每天都會增加更多需要 100% 可靠供電的系統。如此之多，以至于電力需求在過去二十年中翻了一番，預計在接下來的二十年里幾乎還會再翻一番。

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

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

為了提高效率并減少能源系統對環境的整體影響，新型半導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期壽命來實現更高電流密度的封裝。

LinPak 是一種功率半導體封裝，已成為牽引、風力變流器、電池存儲系統、光伏、中低壓驅動器、固態變壓器等各種應用的標準。為了提高效率，使用了 SiC 等新型半導體材料。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率。在本文中，我們將簡要介紹設計此類設備的過程以及如何對其進行優化以在客戶應用程序中獲得更好的性能。

具有高 K 電介質的 SiC

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

一方面，由于更高的介電常數和更高的介電電容（C D = ε D /t D），HKMOSFET 的 R DSon低于 SiO2 柵極電介質（圖 1）。另一方面，甚至更重要的是，它降低了界面陷阱態 （D it ） 的密度，從而導致閾值電壓 V th的魯棒性無與倫比，即使在 V GS的數千個循環之后也是如此從 +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化器件性能。這將降低導通電阻 R DSon以及開關損耗。

模塊設計優化

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開啟/關閉開關 （B） 在重復 VGS 掃描期間 Vth 變化。

圖片由 Bodo’s Power Systems提供

這種快速開關 SiC MOSFET 的并聯導致了重大的電磁設計挑戰。為了提供低開關損耗和可靠運行，必須確保無臨界振蕩的快速開關以及 MOSFET 之間平衡的靜態和動態電流共享。

自 2018 年以來，日立能源半導體（原 ABB）推出了基于 LV LinPak 平臺開發的 1.7 和 3.3 kV SiC 大功率模塊。SiC 模塊采用了創新的多級模塊概念，可以非常靈活地路由主電流和控制信號。基于此概念，已證明在單個開關內使用多達 40 個并聯的 SiC MOSFET 可實現快速可靠的開關。此外，結合優化的測試設置，可以實現接近分立器件的模塊開關損耗 ［7］。

日立能源半導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計。現已開發出新的第二代 SiC LinPak，其重點在于：

更高的模塊性能，更低的開關損耗

與第一代設計相比降低了復雜性，提高了可制造性

第一代 SiC LinPak 內部柵極電阻器（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非常穩健，但它們限制了模塊的最小開關損耗。因此，為了進一步降低模塊開關損耗，對現有的電磁設計進行了進一步改進。首先分析該設計以確定振蕩的根本原因。經過分析，提出了補救措施并在新模塊設計中實施。這些模塊設計進一步優化，以最大限度地減少對內部柵極電阻器的安全操作需求并降低整體模塊復雜性。

在模塊設計優化過程中，使用了以下步驟 - 結合迭代循環：

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

提取的寄生參數用于評估使用 SIMetrix 的每個模塊設計的開關性能。為了在沒有臨界振蕩的情況下實現快速開關，以及在實際模塊中的半導體器件之間實現平衡的靜態和動態電流共享，對基于每個開關 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，對構成半橋上下開關的每個 MOSFET 的電壓、電流和控制信號進行監測。

最近開發的具有多個可調參數的 SPICE 模型也使我們能夠研究 MOSFET 參數的偏差（容差）對模塊開關性能的影響。

四個新開發和優化的模塊設計顯示了 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瞬態，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。原型的開關瞬態和開關損耗是在雙脈沖測試中使用為快速開關 SiC LinPak 優化的測試設置確定的。

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

圖 4. 在優化過程中實現的柵極電感平衡得到改善。（A） 為先前版本的 SiC LinPak（上下開關）確定了柵極電感。位于基板 1 上的開關 1-10 和位于基板 2 上的開關 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。現在任何兩個并聯的 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計測量的開關瞬態。

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計測量的開啟和關閉開關瞬態示例。該圖還包括相應的開關損耗。

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 下測得的開關損耗。在所有四種情況下，由于改進了電磁模塊設計，需要更少或不需要內部（基板）柵極電阻，因此與第一代 SiC LinPak 相比，開關損耗更低。在一種情況下，開關損耗甚至可以與按比例分立的 SiC MOSFET 的開關損耗相媲美。

輸出模擬

為了評估 SiC LinPak 新設計的性能改進，對可能的風能應用進行了一系列模擬。將兩個模塊（20 個 MOSFET 管芯/開關 5SFG 0900X170100、40 個 MOSFET 管芯/開關 5SFG 1800X170100）與現有的 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1.0

直流電壓1180 伏

電壓 LL690 伏有效值

環境溫度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 模塊的開關損耗要低得多（見圖 7）。人們還看到，當許多 MOSFET 芯片并聯封裝時，即 40 pcs/switch 時，需要降低開關速度，從而影響開關損耗。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。

在風能應用中，10Hz 范圍內的極低基頻是一個很大的挑戰，因為根據當前負載，它會導致 20-40 K 的恒定 IGBT 結溫紋波。使用連續運行的極端情況計算，超過在轉換器的生命周期中，預計會有 100 億次這樣的循環。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體面積，與等效的 IGBT/續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，為了更好地適應這些經過改進的新芯片，我們在改進 SiC MOSFET 性能和穩健性以及 LinPak 封裝方面做了進一步的工作。MOSFET 柵極上的高 k 電介質改善了關鍵指標 RDSon，并在柵極暴露于電壓波動時顯著提高了其穩健性。

該封裝通過執行電磁仿真和電氣測試進一步優化，以實現開關損耗、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 世紀各種應用（如風能、太陽能、牽引、固態變壓器等）的性能和可靠性的正確選擇。