不同电压和功率等级的三菱电机SiC功率器件介绍

如今，在各种应用中，SiC器件被用于实现高效和紧凑的转换器。应用范围涵盖所有额定功率，从空调到电池充电器，再到工业驱动甚至铁路推进。本文讨论了不同应用的需求，重点介绍了不同电压和功率等级的三菱电机SiC功率器件，并提供了最新发展的见解。

减少二氧化碳和负责任地使用电能是未来社会可持续发展的主要驱动力。碳化硅（SiC）及其优越的物理性能将节省更多的电能，并使电力电子转换器更加紧凑，从而减少宝贵材料和资源的消耗。

SiC半导体和经典硅之间的主要区别在于更高的带隙。这使得SiC材料的临界场强提高了10倍。因此，对于相同的阻断电压能力，SiC芯片可以做得更薄。因此，电阻和功率损耗降低。

此外，由于带隙较高，即使在更高的阻断电压（例如3300 V或6500 V）下，也可以生产SiC MOSFET或SiC肖特基势垒二极管。由于开关速度高，这些单极器件具有低开关损耗并可实现高开关频率。在许多应用中，较高的开关频率可提高其他系统组件（如滤波器、变压器或电机）的功率密度。因此，电力电子转换器变得更加紧凑，节省了材料和相关成本。

最新的SiC器件采用三菱电机的第二代SiC芯片。这些芯片在新的6英寸SiC晶圆生产线上制造。如图1所示，第二代具有增强型平面MOSFET结构。特殊的JFET掺杂曲线可以改善特定的电阻Ron，sp，同时减小MOSFET电池的宽度，如图所示。如图所示，这种增强型平面MOSFET技术具有出色的电阻，与其他沟槽栅极结构相比具有很强的竞争力。此外，JFET掺杂降低了反向传输电容Crss。该电容会影响SiC器件的开关速度。较小的Crss允许更高的开关速度，并提高了对寄生导通的鲁棒性，如下所述。

由于其低损耗，工业系列SiC MOSFET非常适合提高住宅太阳能逆变器的效率，并减小笨重且昂贵的无源元件的尺寸。在快速电池充电器中，SiC技术可实现更紧凑、同时高效的系统。

主要特点

N系列SiC MOSFET采用三菱电机的第二代平面SiC技术，采用JFET掺杂。与前几代SiC技术相比，该技术具有多种优势。

SiC材料的高击穿场强使1200 V级功率MOSFET具有低漂移层电阻（Rdrift）。但特定导通电阻的另一个重要部分是由MOSFET结构的p阱之间的寄生JFET引起的。随着第二代SiC技术中JFET掺杂的引入，比导通电阻得到改善，使MOSFET电池更小。

影响MOSFET开关行为的一个重要因素是输入电容（Ciss）和反向传输电容（Crss）之间的比率。分立式SiC功率MOSFET的快速开关瞬变会导致MOSFET的寄生导通，在最坏的情况下可能导致灾难性的臂击穿故障。通过降低Crss，可实现1450 mΩ∙nC的品质因数，其定义为导通电阻和栅极漏极电荷的乘积。如图5所示，与传统器件相比，这提高了约14倍的寄生自导通鲁棒性，从而实现高开关速度并降低开关损耗。

用于不间断电源、快速充电器和可再生能源高效馈入的SiC电源模块

不间断电源、快速充电器或可再生能源馈入等应用通常需要比之前讨论的更高的额定电流。因此，三菱电机开发了SiC功率模块，该模块还采用了第二代芯片技术[5]。这些模块为需要高电流的工业应用提供了SiC技术的优势，超出了分立器件的能力。提供1200 V和1700 V的电压等级以及高达1200 A的广泛额定电流阵容。第二代电源模块与第一代电源模块兼容，使我们的客户能够基于其现有设计更轻松地进行开发。

从IGBT转换为SiC MOSFET时，短路保护的设计是一个挑战，因为去饱和检测等方法不能以相同的方式应用。为了克服这些限制，RTC功能使用集成在MOSFET中的电流传感器检测短路。当检测到短路时，栅极电压会自动降低以限制电流并增加短路耐受时间。这为驱动器电路提供了足够的时间对来自RTC功能的短路信号做出反应。

用于铁路和电网应用的高压碳化硅模块

除牵引逆变器外，辅助转换器、铁路电池充电器和DC-DC转换器尤其受益于SiC功率模块带来的开关频率提升。开关频率的增加通常允许减小无源元件（如变压器、电感器或电容器）的尺寸。此外，较高的开关频率可能允许使用不同的软磁芯材料。它提供了提高效率和降低成本的潜力。

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编辑：黄飞