新型芯片结构能有效防止浪涌电流集中在@@特定芯片上@@@@
图@@1：新开发的@@芯片结构@@（上@@:芯片截面@@；下@@:并联芯片@@）
三菱电机@@集团近日@@@@（2023年@@6月@@1日@@）宣布@@，其开发出一种集成@@@@SBD的@@SiC-MOSFET新型结构@@，并已将其应用于@@3.3kV全@@SiC功率模块@@——FMF800DC-66BEW，适用于铁路@@@@、电力系统等大型工业设备@@@@。样品于@@5月@@31日@@开始发售@@。该新结构芯片有望帮助实现铁路@@牵引等电气系统的@@小型化和@@节能化@@，促进直流输变电的@@普及@@，从而为实现碳中和@@做出贡献@@。
SiC功率半导体@@因其能显著降低功率损耗而备@@受关注@@。三菱电机@@于@@2010年@@将搭载@@SiC-MOSFET和@@SiC-SBD的@@SiC功率模块@@商用化@@，在@@空调@@、铁路@@等多种逆变系统中采用了@@SiC功率半导体@@。
与传统的@@芯片分开并联方法相比@@，集成@@了@@SiC-MOSFET和@@SiC-SBD的@@一体化@@芯片可以更紧凑地封装在@@功率模块@@内@@，从而实现功率模块@@的@@小型化@@、大容量和@@更低的@@开关损耗@@，有望在@@铁路@@@@、电力系统等大型工业设备@@@@中得到广泛应用@@。到目前为止@@，由于集成@@@@SBD的@@SiC-MOSFET功率模块@@的@@抗浪涌电流能力相对较低@@，浪涌电流只集中在@@某些特定的@@芯片上@@@@，导致芯片在@@高浪涌电流时@@热损坏@@，因此@@在@@实际应用中一直面临困难@@。
三菱电机@@率先发现了浪涌电流集中在@@功率模块@@内部某些特定芯片上@@的@@机理@@。开发了一种新的@@芯片结构@@@@，在@@这种芯片结构中@@，所有芯片同时@@开始通流@@，使浪涌电流分布在@@各个芯片上@@@@。因此@@，与本公司现有技术@@相比@@，功率模块@@的@@抗浪涌电流能力提高@@了五倍以上@@@@@@，获得了与现有@@Si功率模块@@同等或@@更高的@@浪涌电流耐量@@，从而实现了@@集成@@@@SBD的@@SiC-MOSFET功率模块@@。
本开发成果的@@详细情况已于@@5月@@31日@@14时@@（当地时@@间@@）在@@香港举办的@@@@ISPSD 2023（5月@@28日@@至@@6月@@1日@@）上@@发表@@。
未来展望@@
这项新技术@@将应用于@@SiC功率模块@@，从而实现铁路@@牵引系统的@@小型化和@@节能化@@。此外@@，通过使用低功率损耗变流器进行直流输电@@，有望实现比交流输电更低的@@传输损耗@@，从而为实现碳中和@@做出贡献@@。
关于集成@@@@SBD SiC-MOSFET
在@@传统的@@@@SiC功率模块@@中@@，用于开关的@@@@SiC-MOSFET和@@用于续流的@@@@SiC-SBD作为两个芯片被单独制造@@，并在@@模块内通过并联连接@@。相反@@，三菱电机@@开发的@@集成@@@@SBD的@@SiC-MOSFET（图@@2）通过在@@@@SiC MOSFET元胞中周期性地插入@@SiC-SBD来集成@@这两个芯片@@。
图@@2：集成@@SBD的@@SiC-MOSFET实现了@@SiC-MOSFET和@@SiC-SBD一体化@@
特点@@
突破性发现@@——浪涌电流集中在@@特定芯片上@@的@@机理@@
传统情况下@@@@，当浪涌电流流过并联连接的@@多个集成@@@@SBD的@@MOSFET芯片时@@@@，浪涌电流只集中在@@某些特定芯片上@@@@，无法获得与并联芯片@@数量相对应的@@浪涌电流耐量@@。根据物理分析和@@器件模拟@@分析的@@结果@@，如果内置@@SBD的@@芯片尺寸与其他芯片略有不同@@（宽度略小@@，如图@@@@3），那么浪涌电流就会集中在@@该特定芯片上@@@@，从而导致该芯片在@@其他芯片导通之前流过浪涌电流@@。这个尺寸偏差是极其微小的@@@@，在@@正常的@@芯片制造过程中基本上@@是无法避免的@@@@。
图@@3：现有技术@@中电流集中到特定芯片的@@机理@@
新的@@芯片结构@@——所有并联的@@芯片同时@@导通@@
为了防止浪涌电流集中到特定芯片上@@@@，三菱电机@@针对芯片总面积占比不到@@1%的@@元胞@@，开发了不配置@@SBD的@@新芯片结构@@。这种元胞与配置@@SBD的@@其他元胞相比@@，能够更快速导通浪涌电流@@，并且由于不存在@@@@SBD，所以不受微小尺寸偏差的@@影响@@。浪涌电流可以在@@所有并联芯片@@中没有配置@@@@SBD的@@相应元胞中同时@@开始导通@@。
此外@@，由于浪涌电流降低了@@SiC周边的@@阻抗@@，触发其周围元胞开始导通@@，形成连锁反应@@。这种现象导致以没有配置@@@@SBD的@@元胞@@为起点@@，浪涌电流在@@整个芯片区域传播@@。因此@@，浪涌电流分布在@@所有芯片的@@所有区域@@，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@@了浪涌电流耐量@@（图@@4）。
图@@4：新结构避免了电流集中在@@特定芯片上@@@@
增强的@@扛浪涌电流能力@@——使内置@@SBD的@@SiC MOSFET功率模块@@成为可能@@
通过采用这种新的@@芯片结构@@@@，使内置@@SBD的@@SiC-MOSFET模块抗浪涌电流能力比本公司现有技术@@提高@@了@@5倍以上@@@@，与广泛使用的@@传统@@Si功率模块@@相当或@@更大@@。此外@@，由于浪涌电流的@@链式反应@@，没有配置@@SBD的@@元胞@@仅占总芯片面积的@@一小部分@@（小于@@1%），不会因为内置@@SBD面积的@@减少而影响功率模块@@的@@低导通电阻和@@低开关损耗等特性@@。因此@@，铁路@@、电力系统等大功率用功率模块@@所要求的@@芯片并联成为可能@@，实现了@@内置@@SBD的@@SiC-MOSFET功率模块@@。
图@@5：新技术@@提高@@了抗浪涌电流能力@@
关于三菱电机@@@@
三菱电机@@创立于@@1921年@@，是全@@球知名@@的@@综合性企业@@。在@@2022年@@《财富@@》世界@@500强排名@@中@@，位列@@351名@@。截止@@2022年@@3月@@31日@@的@@财年@@@@，集团营收@@44768亿@@日@@元@@（约合美元@@332亿@@）。作为一家技术@@主导型企业@@，三菱电机@@拥有多项专利技术@@@@，并凭借强大的@@技术@@实力和@@良好的@@企业信誉在@@全@@球的@@电力设备@@@@、通信设备@@@@、工业自动化@@、电子@@元器件@@、家电等市场占据重要地位@@。尤其在@@电子@@元器件@@市场@@，三菱电机@@从事开发和@@生产半导体已有@@60余年@@@@。其半导体产品更是在@@变频家电@@、轨道牵引@@、工业与新能源@@、电动汽车@@、模拟@@/数字通讯以及有线@@/无线通讯等领域得到了广泛的@@应用@@。