XVC767AE102 3BHB007209R0102 利用先进的Trench技术增强xEV动力系统

　　随着汽车市场加速走向主流应用，电力电子已经成为创新的基石，实现卓越的性能和效率。这一技术发展的最前沿是碳化硅(SiC)功率模块，这是一项关键的进步，重新定义了电力传动系统的能力。

　　越来越多的电动汽车的采用取决于扩大车辆范围和降低电池成本。这可以通过最小化能量损失和增强逆变器中使用的功率模块的紧凑性来解决。与传统的硅基器件相比，SiC功率器件能够实现更低的能量损耗，因此备受关注，成为降低功率模块损耗的关键技术。

　　从硅IGBT到碳化硅技术

　　自1997年以来，三菱电机已为超过3350万辆xev提供动力，并继续使用其JBOY3乐队系列下一代汽车动力模块，该模块采用先进的沟槽技术、改进的热管理和集成的多功能芯片，以应对以下挑战电动汽车动力系统设计和性能。作为汽车电源模块创新的先驱，新濠博亚在1997年采用了第四代IGBT技术，从基于外壳型设计的定制模块开始。到2001年，新濠博亚率先推出了第一个传递模塑电源模块(T-PM)封装，为紧凑可靠的电源模块树立了新的标准。多年来，该公司推出了多种突破性的T-PM产品，包括2009年推出的直接引线键合(DLB)技术，该技术消除了引线键合的限制，提供了紧凑且高度可靠的解决方案。J1系列6合1产品于2015年推出，集成了散热片，实现了紧凑性和高功率密度。迄今为止，已有超过450万个J1A模块发货，无现场故障报告。图1显示了T-PM(第二代)和J1A Si-IGBT模块的两种设计概念。

　　(a)使用的图像来自博多的动力系统[PDF]

　　(b)使用的图像来自博多的动力系统[PDF]

　　(c)使用的图像来自博多的动力系统[PDF]

　　图一。汽车硅IGBT功率模块(图片将被替换)(a) 2钕世代传递-模制(b) J1系列电源模块(c) 3注册营养师一代传递模塑模块(JBOY3乐队系列)。

　　三菱电机在20世纪90年代开始开发SiC功率器件，包括以平面MOSFETs为特色的SiC功率模块，应用于铁路、工业设备、消费电子和汽车系统。最近的进步集中在利用沟槽栅极SiC MOSFETss的SiC功率模块上，与传统的平面栅极设计相比，沟槽栅极SiC MOSFET具有更低的功率损耗和更高的输出性能。目前，该公司正在推进其JBOY3乐队系列汽车电源模块的开发，该模块将高效的沟槽SiC半导体器件与紧凑、高可靠性的传递模塑封装(T-PM)相集成。

　　图二。2的结构比较钕和3注册营养师一代代的T-PM设计。图片由提供博多的动力系统[PDF]

　　新开发的模块(JBOY3乐队系列)具有优化的散热结构，与传统设计相比，显著提高了热性能。第三代T-PMs(JBOY3乐队系列)与上一代的结构比较如图2所示。主要变化包括用高导热绝缘体取代传统的绝缘片，并增强模块的传热能力。对于芯片焊接，银烧结凭借其卓越的导热性和可靠性，超越了第一代T-PMs中传统无铅焊料的性能。JBOY3乐队系列最显著的改进之一在于用焊料代替了模块基础热界面材料中的油脂。这一改变不仅增强了散热，还通过消除对弹簧和固定板的需求简化了安装过程，增加了安装的便利性。该系列将包括铜(Cu)和铝(Al)冷却器。对于铝制冷却器，正在考虑一种新开发的针翅设计，它比传统的圆柱形翅片具有更高的导热性。与之前的铝基设计相比，这些进步有望将热阻降低30%以上，从而提供卓越的性能和效率。

　　先进的沟槽碳化硅技术

　　在…期间SiC是电动汽车电源模块中的发电站，沟槽技术优化了其性能。这项先进的工程技术重塑了电流的流向碳化硅MOSFETs，显著提高效率和功率密度。与传统的平面设计不同，沟槽技术改善了电流路径，使电阻降至最低，从而降低了能量损耗，降低了工作温度，尤其是在较高电压下。沟槽设计使SiC功率模块能够在更小的封装中管理更多功率，与现代电动汽车中的紧凑型系统无缝匹配。从实现超快速充电到提高电机效率，trench技术对于下一代电动汽车系统至关重要。

　　三菱电机在20世纪90年代开始开发SiC功率器件，并在2010年推出了用于电气化铁路的第一代SiC功率MOSFETs。到2013年，第二代设备开始大规模生产，其特点是优化的电池尺寸和改进的载流子注入机制。目前，三菱正在开发一种具有新栅极沟槽结构的创新SiC MOSFET，集成到JBOY3乐队系列SiC功率模块中。

　　沟槽型碳化硅MOSFETs提供了优于传统平面设计的显著优势。一个主要的好处是降低了导通电阻，这是通过沟槽设计产生的更大的沟道面积来实现的。导通电阻的降低降低了传导损耗，从而提高了整体效率。此外，与硅相比，SiC材料具有出色的导热性，使沟槽型SiC MOSFETs能够在更高的温度下工作，并处理更高的功率密度，这是高能效、高性能应用的关键。图3示出了沟槽栅极结构。与传统的平面栅极相比，沟槽栅极结构通过更高的集成度允许更小的单位单元和低损耗操作。

　　尽管有这些优势，但沟槽型SiC MOSFETs也面临一些挑战。沟槽设计的高导电性会使短路处理更加困难。此外，制造沟槽型SiC MOSFETs更加复杂，需要精确的制造控制，这会增加生产成本。然而，效率的提高往往证明了额外费用的合理性，尤其是在高端汽车应用中。沟槽结构的另一个挑战是电场集中在沟槽底部，这可能导致器件击穿和栅极绝缘退化。

　　为了支持广泛的汽车应用，在保持效率的同时集成增强短路能力的结构设计方法至关重要。三菱电机改进了其传统的沟槽SiC MOSFET结构，以在降低电阻和提高短路鲁棒性之间取得平衡。图4显示了开发的沟槽SiC-MOSFET。

　　图3。已开发的沟槽SiC-MOSFET示意图。图片由提供博多的动力系统[PDF]

　　为了减轻较低电阻和增强短路能力之间的折衷，三菱电机引入了一种方法来调整沿着沟槽侧壁的SP区域的侧壁P型柱比率(rSP)。这些区域沿着沟槽结构最佳地间隔开，确保对器件短路能力的有效控制。此外，将底部P阱(BPW)接地可提供稳定的开关性能，并解决沟槽底部电场集中的难题。这些进步显著增强了沟槽SiC MOSFETs的可靠性和效率，使其非常适合汽车动力系统应用。

　　图4。开发了具有侧壁P型柱结构的沟槽SiC-MOSFET。图片由提供博多的动力系统[PDF]

　　JBOY3乐队系列碳化硅制品概述

　　shown乐队系列的SiC系列如图5所示。它将先进的SiC器件技术与T-PM相结合，提供了紧凑、高可靠性的设计。这些模块提供低损耗、更高的功率密度和更高的可靠性。JBOY3乐队-T-PM模块的核心是一个多功能半桥单元，采用1300 V SiC MOSFET技术，适合800V电池架构。该模块的尺寸为26.5毫米x 53.9毫米x 6.92毫米(树脂部分)。通过调整电源芯片和并联模块的数量，6合1配置(JBOY3乐队-HEXA和JBOY3乐队-HEXA-L)可以处理50千瓦至300千瓦的输出功率，通过并联额外的模块，利用JBOY3乐队-T-PM的可扩展性，还有可能获得更高的功率。

　　汽车用碳化硅技术

　　三菱电机(Mitsubishi Electric)正在加强其对汽车和功率半导体行业的承诺，在日本福冈县投资100亿日元建设一座新工厂，计划于2026年开始运营。该工厂将专注于功率半导体模块的组装和检测，以满足对节能解决方案不断增长的需求，特别是电动汽车，支持全球脱碳目标。

　　这项投资的关键是专注于碳化硅(SiC)技术。该公司正在推进其JBOY3乐队系列汽车电源模块，包括Si和SiC变体，以确保为不断发展的市场提供高性能、可扩展的解决方案。

　　图5。JBOY3乐队系列碳化硅产品系列。图片由提供博多的动力系统[PDF]

　　在熊本县投资了约1000亿日元建立一个新的8英寸碳化硅晶片工厂，该工厂将采用先进的节能生产和自动化技术。到2030年，SiC晶圆生产(6英寸和8英寸)产能将比2022财年增长30倍。此外，三菱电机正在投资100亿日元巩固其在福冈的现有业务，优化功率半导体的组装和检测流程。这些投资，加上在SiC trench技术和JBOY3乐队系列模块封装方面的持续创新，巩固了三菱电机在SiC设计和生产方面的领导地位，并支持其在推进汽车动力总成应用的节能和可靠技术方面的作用。