如何对LinPak进行优化以在客户应用程序中获得更好性能

每天我们醒来打开灯、咖啡机或电炉准备早餐，我们都希望所有的电动机、加热器和灯泡都能正常工作。尽管全球有数十亿台设备在运行——所有这些设备都有望在轻按开关的情况下工作——但我们每天都会增加更多需要 100% 可靠供电的系统。如此之多，以至于电力需求在过去二十年中翻了一番，预计在接下来的二十年里几乎还会再翻一番。

一方面，必须增加电力生产以满足不断增长的需求。这种增长需要来自对环境无害的资源，例如海上和陆上风能、光伏、泵浦水力发电和其他可再生能源发电技术。

另一方面，必须可靠地将产生的电力分配到需要的地方，并尽可能减少损失。在将能源转化为电、热、光或机械运动的链条中，处于电子系统核心的功率半导体是提高能量转换效率的关键。

为了提高效率并减少能源系统对环境的整体影响，新型半导体材料必须以更低的损耗提供更高的功率。他们还需要通过降低热阻同时增加预期寿命来实现更高电流密度的封装。

LinPak 是一种功率半导体封装，已成为牵引、风力变流器、电池存储系统、光伏、中低压驱动器、固态变压器等各种应用的标准。为了提高效率，使用了 SiC 等新型半导体材料。与 Si 相比，SiC 具有一系列无疑更好的特性，特别是更高的电场强度和热导率。在本文中，我们将简要介绍设计此类设备的过程以及如何对其进行优化以在客户应用程序中获得更好的性能。

具有高 K 电介质的 SiC

SiC 的卓越特性使带有 SiC MOSFET 的模块更加紧凑，其开关损耗仅为相应 Si IGBT 模块通常相关的一小部分。碳化硅的最大挑战是成本和可靠性。例如，栅极电介质，尤其是与半导体的界面，对退化高度敏感。

一方面，由于更高的介电常数和更高的介电电容（C D = ε D /t D），HKMOSFET 的 R DSon低于 SiO2 栅极电介质（图 1）。另一方面，甚至更重要的是，它降低了界面陷阱态 （D it ） 的密度，从而导致阈值电压 V th的鲁棒性无与伦比，即使在 V GS的数千个循环之后也是如此从 +15 V 扫描到 -15 V（图 2）。这确保了即使器件在工作期间受到不希望的栅极电压摆动的影响，开关特性也将保持恒定。通过增加沟道宽度和减小器件间距来进一步优化器件性能。这将降低导通电阻 R DSon以及开关损耗。

模块设计优化

SiC 裸片的缺陷密度是增加成本的主要因素之一。为使模具价格实惠，它们的制造占地面积很小（即 5X5 毫米）。小芯片尺寸带来的挑战是，对于比较额定值 - 就像 Si IGBT 一样 - 许多 SiC MOSFET（最多 40 个）需要在 LinPak 模块中并联连接。

图 1. LG=250nm 和单元间距为 14µm 的高 k 和 SiO2 3.3kV MOSFET 的输出特性 （A） 和 RDSON 从 25°C 到 200°C （B）。

图片由 Bodo‘s Power Systems提供

图 2. （A） 具有极端栅极变化的重复开启/关闭开关 （B） 在重复 VGS 扫描期间 Vth 变化。

图片由 Bodo’s Power Systems提供

这种快速开关 SiC MOSFET 的并联导致了重大的电磁设计挑战。为了提供低开关损耗和可靠运行，必须确保无临界振荡的快速开关以及 MOSFET 之间平衡的静态和动态电流共享。

自 2018 年以来，日立能源半导体（原 ABB）推出了基于 LV LinPak 平台开发的 1.7 和 3.3 kV SiC 大功率模块。SiC 模块采用了创新的多级模块概念，可以非常灵活地路由主电流和控制信号。基于此概念，已证明在单个开关内使用多达 40 个并联的 SiC MOSFET 可实现快速可靠的开关。此外，结合优化的测试设置，可以实现接近分立器件的模块开关损耗 ［7］。

日立能源半导体多年来一直在收集用户反馈，并将其用于进一步改进模块设计。现已开发出新的第二代 SiC LinPak，其重点在于：

更高的模块性能，更低的开关损耗

与第一代设计相比降低了复杂性，提高了可制造性

第一代 SiC LinPak 内部栅极电阻器（放置在每个模块基板上）用于避免所有工作条件下的栅极振荡。尽管这些栅极电阻器使模块开关非常稳健，但它们限制了模块的最小开关损耗。因此，为了进一步降低模块开关损耗，对现有的电磁设计进行了进一步改进。首先分析该设计以确定振荡的根本原因。经过分析，提出了补救措施并在新模块设计中实施。这些模块设计进一步优化，以最大限度地减少对内部栅极电阻器的安全操作需求并降低整体模块复杂性。

在模块设计优化过程中，使用了以下步骤 - 结合迭代循环：

使用 Ansys Q3D Extractor 确定和优化寄生电感（图 3）。主要目标是在所有并联的 MOSFET 之间实现平衡的杂散电感、平衡的栅极电感和平衡的负栅极耦合。图 4 说明了通过设计优化实现的栅极电感改进。

提取的寄生参数用于评估使用 SIMetrix 的每个模块设计的开关性能。为了在没有临界振荡的情况下实现快速开关，以及在实际模块中的半导体器件之间实现平衡的静态和动态电流共享，对基于每个开关 20 和 40 个 MOSFET 裸片的 SiC LinPak 的双脉冲测试进行了仿真。在模拟过程中，对构成半桥上下开关的每个 MOSFET 的电压、电流和控制信号进行监测。

最近开发的具有多个可调参数的 SPICE 模型也使我们能够研究 MOSFET 参数的偏差（容差）对模块开关性能的影响。

四个新开发和优化的模块设计显示了 MOSFET 之间的杂散电感、栅极电感和栅极耦合的最佳平衡以及无临界振荡的开关瞬态，用于组装和测试 1.7 kV SiC LinPak。原型基于与上一代模块相同的 SiC MOSFET。原型的开关瞬态和开关损耗是在双脉冲测试中使用为快速开关 SiC LinPak 优化的测试设置确定的。

图 3. 用于提取寄生参数的完整 SiC LinPak 的 Q3D 模型。图片由 Bodo‘s Power Systems提供

图 4. 在优化过程中实现的栅极电感平衡得到改善。（A） 为先前版本的 SiC LinPak（上下开关）确定了栅极电感。位于基板 1 上的开关 1-10 和位于基板 2 上的开关 11-20 的电感平衡良好。位于一个基板上的器件之间的最大差异约为 2%。然而，位于不同基板上的 MOSFET 之间的差异，几乎是 20%。（B） 为改进版图确定了栅极电感。现在任何两个并联的 MOSFET 之间的最大差异小于 5%。图片由 Bodo’s Power Systems提供

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

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

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

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

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

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

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

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

图 5. 为所有四种评估模块设计测量的开关瞬态。

图 5 显示了使用 1.5 欧姆外部栅极电阻器对所有四个测试模块设计测量的开启和关闭开关瞬态示例。该图还包括相应的开关损耗。

图 6. 使用 0 Ω 外部栅极电阻器（UDS = 900 V，ID=840A）在 150 °C 下确定的总开关损耗比较。从左到右： - Si IGBT 模块的损耗 - 第一代 SiC LinPak - 评估概念 1（版本 1） - 评估概念 1（版本 2） - 评估概念 2（版本 1） - 评估概念 2（版本 2） 编号上条表示与之前版本的 SiC LinPak 相比，开关损耗有所降低。图片由 Bodo‘s Power Systems提供

图 6 比较了不使用外部栅极电阻器时在 150°C 下测得的开关损耗。在所有四种情况下，由于改进了电磁模块设计，需要更少或不需要内部（基板）栅极电阻，因此与第一代 SiC LinPak 相比，开关损耗更低。在一种情况下，开关损耗甚至可以与按比例分立的 SiC MOSFET 的开关损耗相媲美。

输出模拟

为了评估 SiC LinPak 新设计的性能改进，对可能的风能应用进行了一系列模拟。将两个模块（20 个 MOSFET 管芯/开关 5SFG 0900X170100、40 个 MOSFET 管芯/开关 5SFG 1800X170100）与现有的 Si IGBT LinPak （5SNG 1000X170300） 进行了比较。

模拟条件

拓扑2 级全部

基频 f10赫兹

开关频率 fc2000赫兹

控制三次谐波注入

相电流I Ph f（fc） @ T vjMax或 600A

功率因数1.0

直流电压1180 伏

电压 LL690 伏有效值

环境温度45°C

R th冷却器11千/千瓦

图 7. 2 级 VSI 的电流输出与频率的关系。图片由 Bodo’s Power Systems提供

在电流输出与频率的平坦曲线中，900 A SiC 模块的开关损耗要低得多（见图 7）。人们还看到，当许多 MOSFET 芯片并联封装时，即 40 pcs/switch 时，需要降低开关速度，从而影响开关损耗。即使在这种情况下，1800 A SiC 模块也具有更平坦的电流与频率输出。这意味着对于给定的输出电流，即 800 A，基于 SiC MOSFET 的 LinPak 模块的开关速度是等效 Si IGBT 的两倍。这对于所需的过滤有明显的好处。

在风能应用中，10Hz 范围内的极低基频是一个很大的挑战，因为根据当前负载，它会导致 20-40 K 的恒定 IGBT 结温纹波。使用连续运行的极端情况计算，超过在转换器的生命周期中，预计会有 100 亿次这样的循环。当使用体二极管进行三次方操作时，SiC MOSFET 在两个电流方向上使用相同的半导体面积，与等效的 IGBT/续流二极管解决方案相比，降低了温度纹波。这对此类模块的可靠性具有重要意义。

日立能源半导体自 2018 年以来一直提供 SiC LinPak 演示模块。近年来，为了更好地适应这些经过改进的新芯片，我们在改进 SiC MOSFET 性能和稳健性以及 LinPak 封装方面做了进一步的工作。MOSFET 栅极上的高 k 电介质改善了关键指标 RDSon，并在栅极暴露于电压波动时显着提高了其稳健性。

该封装通过执行电磁仿真和电气测试进一步优化，以实现开关损耗、可制造性和可靠性之间的最佳折衷。最后，以风能两电平变流器为例，对模块的性能进行了仿真，并与标准的 IGBT/FWD 模块进行了比较。事实证明，SiC LinPak 是进一步提高 21 世纪各种应用（如风能、太阳能、牵引、固态变压器等）的性能和可靠性的正确选择。

审核编辑：彭静