專訪｜Daichi Yosho

PCIM Asia Conference 2024

青年工程師獎獲得者

Q能否請您簡單介紹一下自己？

A我于2019年和2020年分別獲得了日本福岡九州大學航空航天工程學士和碩士學位。自2022年起，我就職于日本福岡的三菱電機功率器件制作所，擔任面向鐵路應用的高壓器件部門的功率半導體器件工程師。

Q您選擇該專業/職業的契機是什么？

A我在大學主修航空航天工程，航空航天是一個充滿浪漫且頗有裨益的領域，但因為包括推進、材料和控制工程在內的專業過于細分，讓我覺得很難掌握多個領域。因此，我選擇了功率半導體這一對未來社會有價值的領域，并且在這里我可以專注于深化我的知識。然而，在實際參與之后，我意識到功率半導體也是一個包含各種專業領域的復雜行業。

Q是什么吸引您到三菱電機功率器件制作所工作？

A功率半導體器件是構建節能社會的關鍵技術，而三菱電機是日本功率器件制造領域的先端企業，我被此深深吸引。此外，三菱電機不僅從事功率半導體器件業務，還涉及多種應用業務。這種廣泛的業務范圍使得在技術開發中能夠產生高度的協同效應，這是我覺得有吸引力的另一個方面。

Q能否請您簡單描述一下您的工作內容以及工作感受？

A我負責鐵路應用高壓功率半導體模塊的設計和開發。要制造單個功率模塊，需要來自各個領域的專家和專業知識。因此，我覺得這項工作非常深刻和有趣。

Q能否請您介紹一下獲獎論文的主要內容？

A我們開發了一款用于鐵路應用的3.3kV SBD嵌入式SiC-MOSFET模塊。該模塊的特點包括能夠避免SiC-MOSFET特有的雙極退化，并通過明確特定芯片中的浪涌電流集中機制顯著提高浪涌電流能力。此外，與傳統的SiC模塊相比，該模塊降低了開關損耗和熱阻，從而顯著提高了逆變器的輸出電流。

Q獲得該獎項，您有何感想？

A我很榮幸能獲得青年工程師獎。雖然我是獲獎者，但這篇論文的成就得益于許多人以有形和無形的方式做出的貢獻。我相信，以工程師而非研究人員的名字命名這個獎項，意味著這些成果是眾多同事共同努力的結果，我謹借此機會向所有相關人員表示衷心的感謝。

Q作為青年技術人才，請問有什么經驗可以和大家分享？

A雖然我作為一名工程師的職業生涯仍處于初級階段，但我相信，對工程師來說，重要的是擁有廣泛的知識和與他人合作的能力。在開發過程中遇到問題時，來自看似無關領域的知識有時也能幫助解決問題，為了掌握這些知識，我發現每天保持對各種技術領域的興趣很重要。此外，我認為僅靠一己之力是有限的，因此，在解決問題時，讓該領域的專家和同事參與協作極其必要。

Q基于三菱電機這個平臺，您對未來有何期待和展望？

A三菱電機廣泛涉足多種業務，開發和制造用于消費、汽車、工業和鐵路應用的產品，這些業務技術的核心是功率模塊。因此，我相信，通過開發創新的功率模塊，我們可以顯著提高其他業務產品的性能，這非常棒。

Q在工作之余，您有什么興趣愛好嗎？

A我的愛好是下將棋，這是一種傳統的日本棋盤游戲，與中國象棋有淵源。將棋和象棋的區別在于，在將棋中，你可以將捕獲的棋子當作自己的棋子使用，而且棋子的運動在特定區域會發生變化。將棋是一種完全不涉及運氣的游戲，這既是它的魅力，也是它的難點所在。我對棋盤游戲很感興趣，下次去中國的時候，我想嘗試下中國象棋。

論文｜

軌道牽引用3.3kV SBD嵌入式SiC-MOSFET模塊

Abstract｜摘要

三菱電機新開發了3.3kV金屬氧化物半導體場效應管碳化硅模塊（SiC-MOSFET），采用了嵌入式肖特基勢壘二極管（SBD-Embedded）技術，可以滿足鐵路應用的高可靠性、高功率和高效率要求。通過將SBD嵌入到MOSFET中，避免了SiC-MOSFET固有的雙極退化。通過采用一種新穎的雙極模式激活（BMA）元胞結構，實現了足夠的浪涌電流能力。與傳統的SiC模塊相比，電特性有了顯著改善，開關損耗降低了58%。此外，MOSFET部分的熱阻降低了35%，續流二極管部分的熱阻降低了63%。因此，逆變器的輸出電流顯著增強。

1｜介紹

自20世紀90年代后半期以來，硅基絕緣柵雙極晶體管（IGBT）功率半導體已被用于鐵路應用。通過各種改進，如減少損耗和采用先進的封裝技術，性能逐漸得到改善。然而，硅基功率半導體現在已經接近其物理極限，為了進一步改進，必須采用像SiC這樣的寬禁帶半導體。SiC功率器件在鐵路應用中相對較早，截至2024年，已經在現場應用了大約十年[1][2]。

可靠性是SiC-MOSFET的一個關鍵指標，其可靠性需要與傳統Si-IGBT模塊相當，甚至更高，這有更高的難度，因為SiC-MOSFET特有的可靠性問題在Si-IGBT中不存在。其中一個SiC特有的可靠性問題是由于雙極退化導致通態電壓增加（見圖1）。如何防止雙極退化是實現高可靠性SiC-MOSFET的關鍵[3-5]。

與可靠性同樣重要的是電氣特性的改進，特別是如何減少能量損耗。功率器件中開關損耗和通態損耗的降低可以提高應用系統的效率，這是非常重要的。此外，由于期望將SiC模塊應用在高溫條件下，改善熱特性至關重要。損耗和熱特性的改善也有助于提高模塊的使用壽命。換句話說，SiC-MOSFET模塊的低損耗和低熱阻特性有助于實現鐵路應用系統的高效率和長壽命。

圖1：SiC-MOSFETs體二極管的雙極退化

本文提出了一種高可靠性、低損耗、低熱阻的3.3kV SBD嵌入式SiC-MOSFET模塊，并給出了該模塊的技術特點。SiC-MOSFET模塊的應用范圍已從主逆變器單元擴展到輔助電源單元（APU）、電池充電器和DC-DC轉換器。由于每個應用的電流容量不同，需要全面的產品來滿足相應的需求，因此，我們擴展了新模塊陣容以適應各種應用。作為該系列的一部分，我們主要介紹適用于APU等應用的低電流等級模塊。

2｜概述

新開發的模塊外觀如圖2所示。為實現低封裝電感和快速開關，采用了LV100封裝，這是高壓功率模塊的新標準封裝。該封裝與傳統的3.3kV全SiC功率模塊相同。表1顯示了3.3kV SBD嵌入式SiC-MOSFET模塊的產品陣容，產品線廣泛，包括額定電流800A，400A和200A的產品。

在接下來的章節中，將深入介紹這些新開發產品的可靠性、電氣特性和熱特性的細節。基于低額定電流的產品對電氣特性和熱特性進行說明。最后，對這些產品的應用優勢加以介紹。

圖2：3.3kV SBD嵌入式SiC-MOSFET模塊

表1：3.3kV SBD嵌入式SiC-MOSFET產品線

3｜可靠性

3.1｜消除雙極退化

為了實現SiC-MOSFET模塊的高可靠性，必須克服SiC-MOSFET的一個固有問題，即由體二極管導通引起的雙極退化（參見圖1）。防止雙極退化的一種方法是采用單獨的SBD芯片作為續流二極管并進行特殊篩選測試。然而，在高壓和大功率場合（芯片面積大且漂移層厚），雙極退化的風險會顯著增加。在傳統的3.3kV SiC-MOSFET模塊中，反并聯SBD芯片的尺寸需要是MOSFET芯片的1.5倍左右，以保證固有體二極管不被激活[3]。這需要在功率模塊內占用寶貴的空間并增加了制造成本。如果將SBD嵌入到MOSFET芯片中，則可以減少所需的芯片面積，并且無需進行特殊的篩選測試。

外部反并聯SBD和嵌入式SBD之間的區別解釋如下。外部SBD的壓降需要低于MOSFET PN結的壓降，以防止固有體二極管工作（圖3）。隨著所需擊穿電壓的增加，外部SBD的漂移層變厚，壓降變大。圖3描述了采用外部SBD的傳統SiC-MOSFET和SBD嵌入式SiC-MOSFET的原理圖。在采用外部SBD的情況下，芯片的總壓降施加到固有MOSFET的PN結。相反，在SBD嵌入式MOSFET中，漂移層是共享的，因此漂移層中的壓降不會施加到PN結。因此，不需要顯著增加芯片面積就有可能抑制固有體二極管的導通。圖4顯示了通過將SBD嵌入芯片使固有體二極管不被激活的過程。（a）顯示了MOSFET和SBD部分芯片截面結構，類似于采用外部SBD芯片。在這種情況下，當SBD部分和漂移層的壓降超過固有體二極管的壓降時，固有體二極管開始導通。在這里，固有體二極管開始導通的電流密度定義為最大單極性電流密度（JSD）。在（b）中，縮短了MOSFET和SBD的間隔，增大了最大單極性電流密度。在（c）中，通過減小間隔到元胞尺寸大小，可以達到更大單極性電流密度，從而抑制固有體二極管導通。在（c）的情況下，最大單級性電流密度增加到SBD正常工作范圍，而體二極管在此工作范圍內不會導通。

圖3：采用外部SBD的傳統SiC-MOSFET

和SBD嵌入式SiC-MOSFET的原理圖

圖4：將SBD嵌入芯片使體二極管不被激活的過程

3.2｜提高浪涌電流能力

根據已了解到的信息，與使用體二極管的雙極性器件相比，嵌入SBD的SiC-MOSFETs具有較低的浪涌電流能力，這是因為嵌入式SBD限制了發生浪涌電流時的電導調制，并導致大電流區域的高導通損耗。雖然SBD嵌入式SiC-MOSFETs不存在雙極性導通，在防止雙極退化方面是有利的，但它也會導致浪涌電流能力降低。為了解決這些看似矛盾的問題，我們提出了一種新的結構來提高SBD嵌入式SiC-MOSFETs的浪涌電流能力。新結構如圖5所示。某些部分填充p體區以使相應的SBD失活，我們將這種新結構稱為雙極模式激活元胞（bipolar mode activation cell, BMA cell）[6][7]。在實現BMA元胞后，SBD嵌入式SiC-MOSFET模塊的浪涌電流能力達到了與采用體二極管工作的SiC-MOSFET模塊相似的水平（見圖6，顯示了800A產品的結果）[8]。作為參考，圖6也顯示了在初始結溫Tj=125℃下，采用Si二極管芯片的600A Si模塊的測量結果。即使在初始溫度高50K的條件下，SBD嵌入式SiC-MOSFET模塊也表現出比傳統Si模塊更好的浪涌電流能力。下面，我們介紹有關BMA元胞的詳細信息。

BMA元胞有兩個主要功能。首先，只有在發生浪涌電流的情況下，即在異常條件下有大電流流過時，它才觸發固有體二極管的工作。體二極管的導通有助于通過抑制大電流時的導通損耗來增強浪涌電流能力。由固有體二極管的導通導致的雙極退化影響可以忽略不計，這是因為它只發生在有限的情況下。BMA元胞的面積約為總芯片有效面積的0.2%，它不影響電特性。自然，體二極管在模塊正常工作期間處于非激活狀態。圖7顯示了SBD嵌入式SiC-MOSFETs在Tj=175℃時的I-V特性，無論是否有BMA元胞，在功率模塊的安全工作區域內都可以單極性工作。

圖5：BMA元胞結構

圖6：浪涌正向電流（IFSM）測量結果威布圖

圖7：SBD嵌入式SiC-MOSFET在Tj=175℃時

的源漏極電流密度和電壓波形

圖8：浪涌電流能力測試后并聯芯片的表面外觀

其次，BMA元胞減小了安裝在模塊內的每個SBD嵌入式SiC-MOSFET芯片之間的特性差異，特別是折返電壓（Vsnap, snapback voltage），固有體二極管開始工作時的電壓被定義為折返電壓。在大電流功率模塊中，通常是并聯安裝多個芯片，功率模塊的浪涌電流能力不等于單個芯片浪涌電流能力（IFSM或I2t）的總和。這是因為電流會集中在具有最小折返電壓的芯片上，這個芯片從單極性導通到雙極性導通發生在所有其它芯片之前。圖8（a）證實了這一假設，圖8（a）描繪了在評估浪涌電流能力后，沒有BMA元胞芯片并聯連接的外觀。芯片表面存在熔化的鋁區域，表明有大電流通過芯片，熔點只存在于一個芯片上，說明電流只集中在一個芯片上，在那里熔化的鋁是可見的。折返電壓值會受到SiC-MOSFET芯片內置SBD區域寬度的顯著影響。由于制造工藝的影響，內置SBD的寬度很難控制完全一致。因此，通過有意地加入體二極管區域，可以使折返電壓的差異最小化，使得折返電壓可控。使用BMA元胞（見圖8（b）），可以在整個芯片表面看到熔化的鋁，表明浪涌電流分布均勻。

雖然圖8（b）顯示浪涌電流均勻分布在所有芯片上，但要始終保持這種狀態，需要適當設計BMA元胞面積。這是因為BMA元胞的面積與折返電壓之間存在相關性，隨著BMA元胞的面積增加，折返電壓降低。為了控制折返電壓（從而控制浪涌電流能力），有必要確定BMA元胞的面積，以允許在低于最小折返電壓的條件下進行雙極導通。圖9顯示了當BMA元胞的面積改變時，浪涌電流能力和電流集中的芯片數量。準備了α和β兩種樣品，樣品中4個芯片并聯。樣品α和β的BMA元胞的面積不同，樣品β的BMA元胞的面積是樣品α的2.5倍。對于樣品α，因為電流集中在某一個芯片上，所以浪涌電流能力較低。在三個α樣品中，發生表面鋁熔化的芯片數量越多，換句話說，有電流集中的芯片數量越多，相應的浪涌電流能力也越大。

圖9：浪涌電流能力和電流集中的芯片數量關系，

β的BMA元胞面積是α的2.5倍

另一方面，在β中，電流均勻地流過所有芯片，具有高浪涌電流能力。因此，在設計BMA元胞面積為“β”或更大時，不存在浪涌電流能力的問題。雖然圖9中的樣品數量為每種規格三個，但我們已經對足夠數量的模塊進行了評估，這些模塊采用等效或比β更大的BMA元胞面積的芯片，在該模塊評估中，我們確認了電流分布均勻，模塊具有足夠的浪涌電流能力（參見圖6）。

考慮到BMA元胞本身的制造差異性以及分散性，需要確認電流是否均勻分布到所有并聯芯片（即具有較高的浪涌電流能力）。為此準備了樣品1和樣品2用于實驗，在兩種樣品中各有一個芯片的BMA元胞面積是不一樣的。樣品1中的一個芯片的BMA元胞面積是模塊中其它芯片的1.4倍，樣品2中的一個芯片的BMA元胞面積是模塊中其它芯片的2倍。除例外的一個芯片外，模塊中其余芯片的BMA元胞面積統一等于β（見圖10上部）。每種類型的樣品數量為5個，并測量了這些樣品的浪涌電流能力。圖10下半部分的結果表明，即使BMA元胞面積有2倍的差異，對浪涌電流能力的影響也不明顯。評估測試結束后，拆卸模塊，檢測芯片表面鋁的熔化痕跡。外觀與圖8（b）相似，可以發現電流并沒有集中在BMA元胞面積被故意改變的芯片上。換句話說，這意味著具有內置BMA元胞的SBD嵌入式MOSFET芯片的模塊具有穩定的浪涌電流能力，不受BMA單元制造差異的影響。

圖10：不同樣品的浪涌電流能力結果示意圖

4｜電氣參數

與傳統的全SiC模塊相比，新開發的SBD嵌入式SiC-MOSFET模塊顯著提高了開關特性。圖11為新開發模塊（FMF400DC-66BEW）與傳統模塊（FMF375DC-66A）的開關波形對比圖。為了公平比較，開關條件保持一致，漏極-源極電壓VDS=1800V，漏極電流ID=375A，換流回路雜散電感LS=40nH，柵極電阻RG(ON)=1.5Ω，RG(OFF)=3.0Ω，工作溫度Tj=175℃。從開關波形中，可以觀察到以下兩個特征。

首先，與傳統模塊相比，新開發模塊的開通和關斷延遲時間減少（即更高的開關速度）。開關速度的提高是通過優化芯片設計來實現的，減小輸入電容（Ciss）和增加跨導（gm）。通過優化溝道布局，改善了跨導，提高了dID/dt。Ciss是在漏源電壓VDS=10V，柵源電壓VGS=0V，頻率f=100kHz的條件下測量的。如圖12所示，通過確定額定電流附近的dID /dVGS來測量gm。表2提供了Ciss和gm的測量結果，表明與傳統的FMF375DC-66A相比，新型FMF400DC-66BEW的Ciss降低了48%，gm增加了41%。因此，新開發的模塊減少了開通和關斷延遲時間，有助于減少開關損耗。

圖11（a）：開通和二極管關斷波形（VDD=1800V，ID=IS=375A，RG(ON)=1.5Ω，RG(OFF)=3.0Ω，LS=40nH，Tj=175℃）

圖11（b）：關斷波形（VDD=1800V，ID=375A，RG(ON)=1.5Ω，RG(OFF)=3.0Ω，LS=40nH，Tj=175℃）

表2：輸入電容和互導參數對比

圖12：漏極電流（ID）和柵極電壓（VGS）關系

（漏源電壓VDS=20V，Tj=25℃）

圖13：開關損耗對比

（VDD=1800V，ID=375A，LS=40nH，RG(ON)=1.5Ω，RG(OFF)=3.0Ω，Tj=175℃）

其次，SBD嵌入式SiC-MOSFET模塊在二極管關斷期間（PN二極管中提到的反向恢復）發射載流子更少。原因是它利用嵌入式SBD，沒有反向恢復電流（只有位移電流用于充電和放電輸出電容）。如果采用體二極管，則二極管關斷時發射載流子的數量會更高，即產生反向恢復電流。在常規模塊中，連接外部SBD，但它不能完全抑制少數載流子注入產生的反向恢復電荷，這就產生了少量的反向恢復電流（見圖11（a）的下半部分）。這就是為什么新模塊具有較低的二極管關斷損耗的原因。另外，由于二極管關斷時的電流（反向恢復電流）會導致對管導通電流的增加。換句話說，SBD嵌入式SiC-MOSFET還實現了開通時刻開關損耗的降低，因為它沒有二極管反向恢復電流。

圖13顯示了SBD嵌入式SiC-MOSFET（FMF400DC-66BEW）和傳統全SiC模塊（FMF375DC-66A）的開關損耗比較。開關條件與圖11一致。SBD嵌入式SiC-MOSFET模塊實現了58%的總開關損耗降低。

5｜熱參數

熱特性對于SiC模塊來說是至關重要的，因為它是為在高溫下工作而設計的。圖14所示為模塊的橫截面。為了在高溫下工作（最高結溫Tjmax=175℃），芯片采用銀（Ag）燒結鍵合，端子通過超聲波鍵合連接到絕緣基板上。由于采用了改進的絕緣基板和焊接材料，新開發的模塊具有較低的熱阻（Rth）。此外，與800A額定值模塊相比，低額定電流值模塊（400A額定值和200A額定值）的芯片數量減少，從而允許芯片布局的靈活性。因此，通過優化芯片布局，可以進一步降低熱阻。為了能夠確定低熱阻的芯片布局，我們對芯片之間的熱干擾進行了仿真。圖15顯示了熱干擾示意圖和熱仿真結果的示例。熱阻隨多個芯片之間距離的變化而變化。如果芯片靠得太近，熱干擾會增加，從而導致更高的熱阻。相反，如果它們相距太遠，則芯片會靠近模塊的邊緣，從而限制散熱，增加熱阻。因此，有必要設計一個最佳的芯片間距。此外，我們確認了模塊最佳芯片距離的熱阻測量結果與仿真結果（如圖15所示）幾乎相同。圖16比較了傳統模塊和新開發模塊之間的熱阻值，表明新開發模塊MOSFET部分熱阻降低了35%，續流二極管部分熱阻降低了63%。

圖14：嵌入SBD的SiC-MOSFET模塊橫截面圖

圖15：芯片間的熱干擾示意圖

和改變多芯片之間距離時熱干擾的仿真結果

圖16：熱阻對比

6｜應用好處-變流器輸出電流仿真

功率模塊性能的提高直接關系到應用效率。這里，我們使用Melcosim功率損耗仿真軟件[9]計算變流器輸出電流對頻率依賴性。變流器輸出電流通常被用作評估設備整體性能的基準。圖17顯示了變流器輸出電流的頻率依賴性。藍線為新開發的SBD嵌入式SiC-MOSFET模塊FMF400DC-66BEW，紅線為常規的全SiC模塊FMF375DC-66A。仿真條件為：電源電壓VDD=1800V，功率因數P.F=0.85，散熱器溫度TS=80℃，調制比=1。柵極驅動條件按照每個功率模塊的推薦條件。

采用新開發功率模塊的變流器輸出電流在整個頻譜范圍內超過傳統的全SiC模塊。值得注意的是，在3kHz的頻率下，采用新功率模塊變流器的輸出電流比傳統的全SiC模塊高40%以上。這一信息證實，新的模塊提供了卓越的變流器輸出。也就是說，新開發的模塊不僅在主牽引系統中，而且在通常高頻運行的APU等，都有助于顯著提高效率。

圖17：變流器輸出電流仿真結果

VDD=1800V，P.F=0.85，TS=80℃，modulation ratio=1

7｜結論

比Si-IGBT效率更高的SiC-MOSFET功率模塊在鐵路領域的應用正在不斷擴展。SiC-MOSFET自身的優越特性有助于實現產品的高可靠性、低能量損耗和低熱阻。考慮到這些因素，三菱電機開發了下一代SBD嵌入式SiC-MOSFET模塊，并提供一系列電流等級的產品。通過將SBD嵌入到MOSFET中，可以防止雙極退化，并確保高可靠性。通過引入一種BMA元胞的新結構，解決了SBD嵌入式SiC-MOSFET浪涌電流能力弱的問題，并進一步證實了BMA元胞結構不受制造差異性的影響。與傳統模塊相比，電氣特性的改進使開關損耗降低了58%，結構部件的改進和熱設計的優化顯著降低了熱阻，特別是低電流等級產品的熱阻。電學特性和熱阻方面的改進也顯著提高了變流器的輸出電流，使其在高頻范圍內應用更具有優勢。

<關于三菱電機>

三菱電機創立于1921年，是全球知名的綜合性企業。截止2024年3月31日的財年，集團營收52579億日元（約合美元348億）。作為一家技術主導型企業，三菱電機擁有多項專利技術，并憑借強大的技術實力和良好的企業信譽在全球的電力設備、通信設備、工業自動化、電子元器件、家電等市場占據重要地位。尤其在電子元器件市場，三菱電機從事開發和生產半導體已有68年。其半導體產品更是在變頻家電、軌道牽引、工業與新能源、電動汽車、模擬/數字通訊以及有線/無線通訊等領域得到了廣泛的應用。