突破电动汽车动力系统的技术瓶颈：先进的SiC沟槽技术-电子发烧友网

随着汽车市场向主流采用加速，电力电子技术已成为创新的基石，推动了卓越的性能和效率。在这一技术演变的前沿，碳化硅(SiC)功率模块作为一项关键进展，重新定义了电动动力系统的能力。

电动汽车的日益普及依赖于延长车辆续航里程和降低电池成本。这可以通过减少能量损失和提升逆变器中功率模块的紧凑性来实现。由于SiC功率器件能够实现比传统硅基器件更低的能量损失，因此它们引起了广泛关注，成为功率模块中减少损耗的关键技术。

从硅IGBT到SiC技术

自1997年以来，三菱电机已为超过3350万辆电动车提供动力，并继续推出其J3系列新一代汽车功率模块，该模块采用先进的沟槽技术、改进的热管理和集成多功能芯片，以应对电动车动力系统设计和性能的挑战。

作为汽车功率模块创新的先驱，三菱电机在1997年采用了第四代IGBT技术，开始定制基于外壳型设计的模块。到2001年，三菱电机率先推出了第一款转模功率模块(T-PM)封装，树立了紧凑和可靠功率模块的新标准。

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多年来，三菱电机推出了多个突破性的T-PM产品，包括2009年推出的直接引线键合(DLB)技术，消除了线键合的限制，提供了紧凑且高度可靠的解决方案。2015年推出的J1系列6合1产品，集成了冷却鳍片以提高紧凑性和高功率密度。迄今为止，已出货超过450万个J1A模块，现场故障报告为零。图1展示了T-PM(二代)和J1A硅IGBT模块的两种设计概念。

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三菱电机在1990年代开始开发SiC功率器件，包括用于铁路、工业设备、消费电子和汽车系统的具有平面MOSFET的SiC功率模块。最近的进展集中在利用沟槽栅SiC MOSFET的SiC功率模块上，这种设计在功率损耗和输出性能方面优于传统的平面栅设计。目前，公司正在推进其J3系列汽车功率模块的开发，该模块集成了高效的沟槽SiC半导体器件与紧凑、高可靠性的转模封装(T-PM)。

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新开发的模块(J3系列)采用优化的散热结构，显著提高了热性能，相较于传统设计更为出色。图2展示了第三代T-PM(J3系列)与上一代的结构对比。主要变化包括用高导热绝缘材料替代传统绝缘片，增强模块的热传导能力。

在芯片键合方面，引入了优越的热导率和可靠性的银烧结技术，超越了第一代T-PM中的无铅焊料性能。J3系列的一个显著改进是将模块基础热界面材料由润滑脂替换为焊料。这一变化不仅提高了散热效率，还通过消除弹簧和固定板的需求简化了安装过程，提升了安装的便利性。该系列将包括铜(Cu)和铝(Al)两种冷却器。对于铝冷却器，正在考虑采用新开发的针形鳍设计，其热导率高于传统圆柱形鳍。这些进展预计将使热阻降低超过30%，提供卓越的性能和效率。

先进的沟槽SiC技术

尽管SiC是电动车功率模块的动力源，但沟槽技术则优化了其性能。这一先进的工程技术重塑了电流在SiC MOSFET中的流动，显著提升了效率和功率密度。与传统的平面设计不同，沟槽技术精炼了电流路径，以最小化电阻，降低能量损失，并使设备在高电压下运行更凉爽。沟槽设计使SiC功率模块能够在更小的封装中管理更多的功率，与现代电动车的紧凑系统完美契合。从实现超快速充电到提升电机效率，沟槽技术是下一代电动车系统的关键。

三菱电机在1990年代开始开发SiC功率器件，并在2010年推出了用于电动铁路的第一代SiC功率MOSFET。到2013年，第二代器件开始大规模生产，具有优化的单元尺寸和改进的载流子注入机制。目前，三菱正在开发一种创新的SiC MOSFET，具有新的栅沟槽结构，并集成到J3系列SiC功率模块中。

沟槽型SiC MOSFET相较于传统平面设计具有显著优势。一个主要好处是降低导通电阻，这是由于沟槽设计创造了更大的通道面积。这种导通电阻的降低减少了导电损耗，提高了整体效率。此外，SiC材料相比于硅具有更优越的热导率，使得沟槽型SiC MOSFET能够在更高温度下运行并承受更大的功率密度，这是实现高能效、高性能应用的关键。图3展示了沟槽栅结构。与传统平面栅相比，沟槽栅结构允许更小的单元格和更低损耗的操作，实现更高的集成度。

图3

尽管有这些优点，沟槽型SiC MOSFET也面临一些挑战。沟槽设计的高导电性可能使短路处理变得更加困难。此外，制造沟槽型SiC MOSFET的工艺更复杂，需要精确的制造控制，这可能会增加生产成本。然而，效率的提升通常可以为额外的费用带来合理的回报，特别是在高端汽车应用中。沟槽结构的另一个挑战是沟槽底部的电场集中，这可能导致器件击穿和栅绝缘的退化。

为了支持广泛的汽车应用，整合能够增强短路能力并保持效率的结构设计方法至关重要。三菱电机对其传统沟槽SiC MOSFET结构进行了改进，以在降低电阻和增强短路可靠性之间取得平衡。图4展示了开发的沟槽SiC MOSFET。

为减轻低电阻与增强短路能力之间的权衡，三菱电机引入了一种调整沟槽侧壁P型柱比例(rSP)的方法。这些区域在沟槽结构中经过优化间隔，确保对器件的短路能力进行有效控制。此外，接地底部P井(BPW)提供了稳定的开关性能，并解决了沟槽底部的电场集中问题。这些进展显著提高了沟槽SiC MOSFET的可靠性和效率，使其非常适合用于汽车动力系统。

图4

J3系列SiC产品概述

J3系列SiC产品阵容如图5所示，结合了先进的SiC器件技术与T-PM，提供紧凑、高可靠性的设计。这些模块具备低损耗、更高功率密度和可靠性。在其核心，J3-T-PM模块是一个多用途的半桥单元，采用1300V SiC MOSFET技术，适用于800V电池架构。该模块尺寸为26.5mm x 53.9mm x 6.92mm(树脂部分)。通过调整功率芯片的数量和并行模块，6合1配置(J3-HEXAS和J3-HEXA-L)可以处理从50kW到300kW的输出功率，并且通过并联额外模块，有潜力实现更高的功率，充分利用J3-T-PM的可扩展性。