三菱开发SBD嵌入式SiC MOSFET

新的芯片结构防止了浪涌电流拥挤，并将有助于缩小铁路牵引系统的规模

三菱电机开发了一种嵌入肖特基势垒二极管（SBD）的SiC MOSFET的新结构，该公司已将其应用于用于铁路和直流电力系统等大型工业设备的SiC功率模块FMF 800 DC-66 BEW2。

样品于5月31日开始发货。该芯片的新结构预计将有助于缩小铁路牵引系统的规模，提高其能效，并通过增加直流输电的采用，促进碳中和。

SiC功率半导体以其显著降低功率损耗的能力而备受关注。三菱电机于2010年将配备SiC MOSFET和SiC SBD的SiC功率模块商业化，该公司已将SiC功率半导体用于各种逆变器系统，包括空调和铁路。

与使用单独芯片的传统方法相比，与SiC MOSFET和SiC SBD集成的芯片可以更紧凑地安装在模块上，从而实现更小的模块、更大的容量和更低的开关损耗。它有望广泛应用于铁路和电力系统等大型工业设备中。

到目前为止，具有SBD嵌入式SiC MOSFET的功率模块的实际应用一直很困难，因为它们的浪涌电流能力相对较低，3这导致在浪涌电流事件期间芯片的热破坏，因为连接电路中的浪涌电流仅集中在特定芯片中。

三菱电机现在开发了世界上第一种机制，通过该机制，浪涌电流集中在功率模块内并联芯片结构中的特定芯片上，以及一种新的芯片结构，其中所有芯片同时开始通电，从而浪涌电流分布在每个芯片上。

因此，与该公司的现有技术相比，该功率模块的浪涌电流容量提高了五倍或更多，该技术等于或大于传统硅功率模块的技术，从而使SBD嵌入式SiC MOSFET能够应用于功率模块中。

在传统的SiC功率模块中，SiC MOSFET用于开关，SiC SBD用于整流，两个单独制造的芯片并联连接。三菱电机的SBD嵌入式SiC MOSFET通过在SiC MOSFET单元中周期性地形成SiC-SBD来集成两个芯片。

传统上，当浪涌电流流过并联连接的多个SBD嵌入式MOSFET芯片时，浪涌电流仅集中在特定芯片上，从而防止获得与并联芯片的数量相对应的浪涌电流耐受能力。

现在，物理和器件模拟分析表明，如果特定芯片的内置SBD的尺寸与其他芯片略有不同，浪涌电流就会集中在该芯片上，这并不罕见，从而导致该特定芯片在其他芯片之前启动浪涌电流。由于尺寸变化只需要非常小，因此在正常的芯片制造过程中基本上不可能避免这种变化。

为了防止浪涌电流集中在特定芯片上，三菱开发了一种新的芯片结构，其中内置的SBD不放置在占芯片总面积不到1%的晶胞中。该晶胞具有允许浪涌电流比具有SBD的其他晶胞更快流动的结构，并且不受由于缺少SBD而引起的尺寸变化的影响。因此，浪涌电流可以在没有SBD的情况下在所有芯片的相应单元中同时开始通电。

此外，由于浪涌电流降低了周围SiC的电阻，因此浪涌电流的通电也在浪涌电流通电的周围晶胞中以链式反应触发。这种现象导致浪涌电流从不存在SBD的晶胞开始传播到整个芯片区域。因此，浪涌电流分布在所有芯片的所有区域上，防止了由于浪涌电流集中在特定芯片上而导致的芯片热击穿，从而提高了浪涌电流耐受能力。

使用新的芯片结构，SBD嵌入式SiC MOSFET并联的浪涌电流能力比该公司现有技术提高了五倍以上，与广泛使用的传统硅功率模块相当或更大。

此外，由于浪涌电流的链式反应，对于没有内置SBD的单元电池来说，总芯片面积的一小部分（小于1%）就足够了，并且由于降低了ar而对功率模块的特性（如低导通电阻和低开关损耗）没有影响

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