迈来芯硅基RC缓冲器助力碳化硅功率模块设计

作者：叶常生，迈来芯产品线总监

引言：高速功率面临的挑战

现代电动汽车和工业电力系统的蓬勃发展，源于对极致效率的不懈追求。为实现这一目标，功率组件，特别是像碳化硅（SiC）这类宽带隙技术，必须以前所未有的速度进行开关操作。

然而，将高压器件的性能推向极限，会引发物理层面的权衡难题。高开关速度（di/dt）不可避免地会引发破坏性噪声，具体表现为巨大的电压尖峰和高频振荡。这些瞬态现象会对主功率组件施加压力，产生局部热点，进而降低系统可靠性。

一体式缓冲器可以起到必要的减震器作用，保护精密的电力电子设备免受自激浪涌的冲击，并推动下一代功率模块的演进。

技术障碍：寄生效应与振铃功能

根本性的挑战源于开关速度与杂散电感之间的相互作用。

示意图 - 缓冲器工作原理

1电压尖峰 (Vpeak)：快速开关的电流与模块布局（如母线排、端子、直接铜键合DCB走线）中固有的寄生电感（Lstray）相互作用，依据以下公式会产生较大的电压峰值：

过高的伏峰值（Vpeak）迫使工程师设计具备更高击穿电压的MOSFET，以避免灾难性故障，而这往往要以牺牲性能或增加成本为代价。

2寄生振铃：功率模块电路通常采用半桥拓扑，在开关过程中会形成一个固有的RLC谐振电路。由于内阻（R）和电容（C）极小，该电路处于高度欠阻尼状态。这会导致高频、持续的寄生振铃，进而产生电磁干扰（EMI）和功率损耗。

解决方案：一体式高压硅RC缓冲器

迈来芯引入了一种单片集成的高电压硅基RC缓冲器MLX91299 。与通常散热不佳且可靠性欠佳的大型分立陶瓷组件不同，该解决方案将电阻和电容组件集成到一个紧凑的单晶硅裸片中。

工作原理：RC缓冲器通过在换相回路中引入尺寸合适的电阻（RS）和电容（CS）来解决RLC振铃问题。

1电容功能：电容（CS）能够存储电感能量 (½ L IM²)，否则这些能量会以电压过冲的形式被破坏性释放。能量平衡要求：

2电阻功能：电阻（RS）起到阻尼器的作用，将存储的能量转化为可控制的热量。为实现有效阻尼 (ζ > 0.5)，电阻值必须满足：

此外，缓冲器的设计要确保能为下一个开关周期快速复位：

技术规格

结构：集成硅裸片（串联R和C）。

电压处理能力：专为高达1000 Vdc （工作电压）的直流母线应用设计，峰值工作电压为 1200 Vp。该器件的击穿电压（Vbr）高达 >1500 V。

电气特性：在电压高于150 V时保持恒定电容，且漏电流极低（~ 10-8 A）。

配置：提供多种R和C组合，例如1.45 Ω时为4.3 nF或5.23 Ω时为1.1 nF

系统集成：无缝适配

MLX91299以矩形硅裸片形式提供，可使用标准功率模块制造工艺进行集成。与分立解决方案相比，这种“裸片组装”方式通过减少电气连接点的数量，提高了长期可靠性。

组装兼容性：背面金属化工艺支持烧结和焊接两种工艺。正面设计用于引线键合（如铝键合）以实现电气互连。

热管理：由于缓冲器直接与SiC组件集成在一起，它可利用相同的散热通道。这能最大限度减少热点，并确保即使在SiC结温高达200°C时仍能保持稳定性能。

拓扑结构：该缓冲器可作为输出缓冲器（与MOSFET并联）或直流母线缓冲器（与直流母线电容并联）使用。

效益与性能

硅基RC缓冲器作为“功率模块增强器”，能够带来一系列可量化的显著效益：

技术效益	详细影响与量化指标
降低开关损耗	通过有效抑制振铃现象，缓冲器能够降低关断能量（Eoff ）与开通能量（Eon）。测试结果显示，总开关损耗最多可降低50%（如91 mJ → 39 mJ），进而支持实现更高的开关频率。
钳位电压过冲	该器件能够高效钳位体二极管的峰值电压（Vpeak）。在测试的极端开关速度条件下，原本因过冲问题在500VDC下便会出现失效的系统，在安装缓冲器后，可在800VDC下稳定运行。
优化电磁兼容性（EMC）	抑制高频振荡能够显著改善逆变器的电磁特性，从而减少对滤波的需求。
降低系统成本	在某些设计场景中，可省去外部栅极电阻（Rg），并降低对超规格、高电压功率开关的依赖。
热性能与可靠性	作为硅裸片，它与周围组件的热膨胀系数匹配度优于陶瓷分立元件，进而能够提升功率循环的可靠性。

结论：

一体式硅基RC缓冲器革新了高压电力电子设备的设计模式。它将保护功能从外部复杂的设计转变为内部集成的可靠特性。

“类比说明：如果将碳化硅（SiC）功率模块比作高性能发动机，那么RC缓冲器就如同悬挂系统。它能够吸收道路上的冲击（电压尖峰），让发动机在不损坏底盘的前提下，以最高速度稳定运行。”