新型芯片結構能有效防止浪涌電流集中在特定芯片上
圖1：新開(kāi)發(fā)的芯片結構（上:芯片截面；下:并聯(lián)芯片）
三菱電機集團近日（2023年6月1日）宣布，其開(kāi)發(fā)出一種集成SBD的SiC-MOSFET新型結構，并已將其應用于3.3kV全SiC功率模塊——FMF800DC-66BEW，適用于鐵路、電力系統等大型工業(yè)設備。樣品于5月31日開(kāi)始發(fā)售。該新結構芯片有望幫助實(shí)現鐵路牽引等電氣系統的小型化和節能化，促進(jìn)直流輸變電的普及，從而為實(shí)現碳中和做出貢獻。
SiC功率半導體因其能顯著(zhù)降低功率損耗而備受關(guān)注。三菱電機于2010年將搭載SiC-MOSFET和SiC-SBD的SiC功率模塊商用化，在空調、鐵路等多種逆變系統中采用了SiC功率半導體。
與傳統的芯片分開(kāi)并聯(lián)方法相比，集成了SiC-MOSFET和SiC-SBD的一體化芯片可以更緊湊地封裝在功率模塊內，從而實(shí)現功率模塊的小型化、大容量和更低的開(kāi)關(guān)損耗，有望在鐵路、電力系統等大型工業(yè)設備中得到廣泛應用。到目前為止，由于集成SBD的SiC-MOSFET功率模塊的抗浪涌電流能力相對較低，浪涌電流只集中在某些特定的芯片上，導致芯片在高浪涌電流時(shí)熱損壞，因此在實(shí)際應用中一直面臨困難。
三菱電機率先發(fā)現了浪涌電流集中在功率模塊內部某些特定芯片上的機理。開(kāi)發(fā)了一種新的芯片結構，在這種芯片結構中，所有芯片同時(shí)開(kāi)始通流，使浪涌電流分布在各個(gè)芯片上。因此，與本公司現有技術(shù)相比，功率模塊的抗浪涌電流能力提高了五倍以上，獲得了與現有Si功率模塊同等或更高的浪涌電流耐量，從而實(shí)現了集成SBD的SiC-MOSFET功率模塊。
本開(kāi)發(fā)成果的詳細情況已于5月31日14時(shí)（當地時(shí)間）在香港舉辦的ISPSD 2023（5月28日至6月1日）上發(fā)表。
未來(lái)展望
這項新技術(shù)將應用于SiC功率模塊，從而實(shí)現鐵路牽引系統的小型化和節能化。此外，通過(guò)使用低功率損耗變流器進(jìn)行直流輸電，有望實(shí)現比交流輸電更低的傳輸損耗，從而為實(shí)現碳中和做出貢獻。
關(guān)于集成SBD SiC-MOSFET
在傳統的SiC功率模塊中，用于開(kāi)關(guān)的SiC-MOSFET和用于續流的SiC-SBD作為兩個(gè)芯片被單獨制造，并在模塊內通過(guò)并聯(lián)連接。相反，三菱電機開(kāi)發(fā)的集成SBD的SiC-MOSFET（圖2）通過(guò)在SiC MOSFET元胞中周期性地插入SiC-SBD來(lái)集成這兩個(gè)芯片。
圖2：集成SBD的SiC-MOSFET實(shí)現了SiC-MOSFET和SiC-SBD一體化
特點(diǎn)
突破性發(fā)現——浪涌電流集中在特定芯片上的機理
傳統情況下，當浪涌電流流過(guò)并聯(lián)連接的多個(gè)集成SBD的MOSFET芯片時(shí)，浪涌電流只集中在某些特定芯片上，無(wú)法獲得與并聯(lián)芯片數量相對應的浪涌電流耐量。根據物理分析和器件模擬分析的結果，如果內置SBD的芯片尺寸與其他芯片略有不同（寬度略小，如圖3），那么浪涌電流就會(huì )集中在該特定芯片上，從而導致該芯片在其他芯片導通之前流過(guò)浪涌電流。這個(gè)尺寸偏差是極其微小的，在正常的芯片制造過(guò)程中基本上是無(wú)法避免的。
圖3：現有技術(shù)中電流集中到特定芯片的機理
新的芯片結構——所有并聯(lián)的芯片同時(shí)導通
為了防止浪涌電流集中到特定芯片上，三菱電機針對芯片總面積占比不到1%的元胞，開(kāi)發(fā)了不配置SBD的新芯片結構。這種元胞與配置SBD的其他元胞相比，能夠更快速導通浪涌電流，并且由于不存在SBD，所以不受微小尺寸偏差的影響。浪涌電流可以在所有并聯(lián)芯片中沒(méi)有配置SBD的相應元胞中同時(shí)開(kāi)始導通。
此外，由于浪涌電流降低了SiC周邊的阻抗，觸發(fā)其周?chē)_(kāi)始導通，形成連鎖反應。這種現象導致以沒(méi)有配置SBD的元胞為起點(diǎn)，浪涌電流在整個(gè)芯片區域傳播。因此，浪涌電流分布在所有芯片的所有區域，防止了由于浪涌電流集中在特定芯片上而導致的芯片熱擊穿，從而提高了浪涌電流耐量（圖4）。
圖4：新結構避免了電流集中在特定芯片上
增強的扛浪涌電流能力——使內置SBD的SiC MOSFET功率模塊成為可能
通過(guò)采用這種新的芯片結構，使內置SBD的SiC-MOSFET模塊抗浪涌電流能力比本公司現有技術(shù)提高了5倍以上，與廣泛使用的傳統Si功率模塊相當或更大。此外，由于浪涌電流的鏈式反應，沒(méi)有配置SBD的元胞僅占總芯片面積的一小部分（小于1%），不會(huì )因為內置SBD面積的減少而影響功率模塊的低導通電阻和低開(kāi)關(guān)損耗等特性。因此，鐵路、電力系統等大功率用功率模塊所要求的芯片并聯(lián)成為可能，實(shí)現了內置SBD的SiC-MOSFET功率模塊。
圖5：新技術(shù)提高了抗浪涌電流能力
關(guān)于三菱電機
三菱電機創(chuàng )立于1921年，是全球知名的綜合性企業(yè)。在2022年《財富》世界500強排名中，位列351名。截止2022年3月31日的財年，集團營(yíng)收44768億日元（約合美元332億）。作為一家技術(shù)主導型企業(yè)，三菱電機擁有多項專(zhuān)利技術(shù)，并憑借強大的技術(shù)實(shí)力和良好的企業(yè)信譽(yù)在全球的電力設備、通信設備、工業(yè)自動(dòng)化、電子元器件、家電等市場(chǎng)占據重要地位。尤其在電子元器件市場(chǎng)，三菱電機從事開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)半導體已有60余年。其半導體產(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(chē)、模擬/數字通訊以及有線(xiàn)/無(wú)線(xiàn)通訊等領(lǐng)域得到了廣泛的應用。 |
