隨著汽車(chē)市場(chǎng)向主流采用加速，電力電子技術(shù)已成為創(chuàng)新的基石，推動(dòng)了卓越的性能和效率。在這一技術(shù)演變的前沿，碳化硅(SiC)功率模塊作為一項(xiàng)關(guān)鍵進(jìn)展，重新定義了電動(dòng)動(dòng)力系統(tǒng)的能力。

電動(dòng)汽車(chē)的日益普及依賴于延長(zhǎng)車(chē)輛續(xù)航里程和降低電池成本。這可以通過(guò)減少能量損失和提升逆變器中功率模塊的緊湊性來(lái)實(shí)現(xiàn)。由于SiC功率器件能夠?qū)崿F(xiàn)比傳統(tǒng)硅基器件更低的能量損失，因此它們引起了廣泛關(guān)注，成為功率模塊中減少損耗的關(guān)鍵技術(shù)。

從硅IGBT到SiC技術(shù)

自1997年以來(lái)，三菱電機(jī)已為超過(guò)3350萬(wàn)輛電動(dòng)車(chē)提供動(dòng)力，并繼續(xù)推出其J3系列新一代汽車(chē)功率模塊，該模塊采用先進(jìn)的溝槽技術(shù)、改進(jìn)的熱管理和集成多功能芯片，以應(yīng)對(duì)電動(dòng)車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)和性能的挑戰(zhàn)。

作為汽車(chē)功率模塊創(chuàng)新的先驅(qū)，三菱電機(jī)在1997年采用了第四代IGBT技術(shù)，開(kāi)始定制基于外殼型設(shè)計(jì)的模塊。到2001年，三菱電機(jī)率先推出了第一款轉(zhuǎn)模功率模塊(T-PM)封裝，樹(shù)立了緊湊和可靠功率模塊的新標(biāo)準(zhǔn)。

多年來(lái)，三菱電機(jī)推出了多個(gè)突破性的T-PM產(chǎn)品，包括2009年推出的直接引線鍵合(DLB)技術(shù)，消除了線鍵合的限制，提供了緊湊且高度可靠的解決方案。2015年推出的J1系列6合1產(chǎn)品，集成了冷卻鰭片以提高緊湊性和高功率密度。迄今為止，已出貨超過(guò)450萬(wàn)個(gè)J1A模塊，現(xiàn)場(chǎng)故障報(bào)告為零。圖1展示了T-PM(二代)和J1A硅IGBT模塊的兩種設(shè)計(jì)概念。

三菱電機(jī)在1990年代開(kāi)始開(kāi)發(fā)SiC功率器件，包括用于鐵路、工業(yè)設(shè)備、消費(fèi)電子和汽車(chē)系統(tǒng)的具有平面MOSFET的SiC功率模塊。最近的進(jìn)展集中在利用溝槽柵SiC MOSFET的SiC功率模塊上，這種設(shè)計(jì)在功率損耗和輸出性能方面優(yōu)于傳統(tǒng)的平面柵設(shè)計(jì)。目前，公司正在推進(jìn)其J3系列汽車(chē)功率模塊的開(kāi)發(fā)，該模塊集成了高效的溝槽SiC半導(dǎo)體器件與緊湊、高可靠性的轉(zhuǎn)模封裝(T-PM)。

新開(kāi)發(fā)的模塊(J3系列)采用優(yōu)化的散熱結(jié)構(gòu)，顯著提高了熱性能，相較于傳統(tǒng)設(shè)計(jì)更為出色。圖2展示了第三代T-PM(J3系列)與上一代的結(jié)構(gòu)對(duì)比。主要變化包括用高導(dǎo)熱絕緣材料替代傳統(tǒng)絕緣片，增強(qiáng)模塊的熱傳導(dǎo)能力。

在芯片鍵合方面，引入了優(yōu)越的熱導(dǎo)率和可靠性的銀燒結(jié)技術(shù)，超越了第一代T-PM中的無(wú)鉛焊料性能。J3系列的一個(gè)顯著改進(jìn)是將模塊基礎(chǔ)熱界面材料由潤(rùn)滑脂替換為焊料。這一變化不僅提高了散熱效率，還通過(guò)消除彈簧和固定板的需求簡(jiǎn)化了安裝過(guò)程，提升了安裝的便利性。該系列將包括銅(Cu)和鋁(Al)兩種冷卻器。對(duì)于鋁冷卻器，正在考慮采用新開(kāi)發(fā)的針形鰭設(shè)計(jì)，其熱導(dǎo)率高于傳統(tǒng)圓柱形鰭。這些進(jìn)展預(yù)計(jì)將使熱阻降低超過(guò)30%，提供卓越的性能和效率。

先進(jìn)的溝槽SiC技術(shù)

盡管SiC是電動(dòng)車(chē)功率模塊的動(dòng)力源，但溝槽技術(shù)則優(yōu)化了其性能。這一先進(jìn)的工程技術(shù)重塑了電流在SiC MOSFET中的流動(dòng)，顯著提升了效率和功率密度。與傳統(tǒng)的平面設(shè)計(jì)不同，溝槽技術(shù)精煉了電流路徑，以最小化電阻，降低能量損失，并使設(shè)備在高電壓下運(yùn)行更涼爽。溝槽設(shè)計(jì)使SiC功率模塊能夠在更小的封裝中管理更多的功率，與現(xiàn)代電動(dòng)車(chē)的緊湊系統(tǒng)完美契合。從實(shí)現(xiàn)超快速充電到提升電機(jī)效率，溝槽技術(shù)是下一代電動(dòng)車(chē)系統(tǒng)的關(guān)鍵。

三菱電機(jī)在1990年代開(kāi)始開(kāi)發(fā)SiC功率器件，并在2010年推出了用于電動(dòng)鐵路的第一代SiC功率MOSFET。到2013年，第二代器件開(kāi)始大規(guī)模生產(chǎn)，具有優(yōu)化的單元尺寸和改進(jìn)的載流子注入機(jī)制。目前，三菱正在開(kāi)發(fā)一種創(chuàng)新的SiC MOSFET，具有新的柵溝槽結(jié)構(gòu)，并集成到J3系列SiC功率模塊中。

溝槽型SiC MOSFET相較于傳統(tǒng)平面設(shè)計(jì)具有顯著優(yōu)勢(shì)。一個(gè)主要好處是降低導(dǎo)通電阻，這是由于溝槽設(shè)計(jì)創(chuàng)造了更大的通道面積。這種導(dǎo)通電阻的降低減少了導(dǎo)電損耗，提高了整體效率。此外，SiC材料相比于硅具有更優(yōu)越的熱導(dǎo)率，使得溝槽型SiC MOSFET能夠在更高溫度下運(yùn)行并承受更大的功率密度，這是實(shí)現(xiàn)高能效、高性能應(yīng)用的關(guān)鍵。圖3展示了溝槽柵結(jié)構(gòu)。與傳統(tǒng)平面柵相比，溝槽柵結(jié)構(gòu)允許更小的單元格和更低損耗的操作，實(shí)現(xiàn)更高的集成度。

盡管有這些優(yōu)點(diǎn)，溝槽型SiC MOSFET也面臨一些挑戰(zhàn)。溝槽設(shè)計(jì)的高導(dǎo)電性可能使短路處理變得更加困難。此外，制造溝槽型SiC MOSFET的工藝更復(fù)雜，需要精確的制造控制，這可能會(huì)增加生產(chǎn)成本。然而，效率的提升通常可以為額外的費(fèi)用帶來(lái)合理的回報(bào)，特別是在高端汽車(chē)應(yīng)用中。溝槽結(jié)構(gòu)的另一個(gè)挑戰(zhàn)是溝槽底部的電場(chǎng)集中，這可能導(dǎo)致器件擊穿和柵絕緣的退化。

為了支持廣泛的汽車(chē)應(yīng)用，整合能夠增強(qiáng)短路能力并保持效率的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法至關(guān)重要。三菱電機(jī)對(duì)其傳統(tǒng)溝槽SiC MOSFET結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，以在降低電阻和增強(qiáng)短路可靠性之間取得平衡。圖4展示了開(kāi)發(fā)的溝槽SiC MOSFET。

為減輕低電阻與增強(qiáng)短路能力之間的權(quán)衡，三菱電機(jī)引入了一種調(diào)整溝槽側(cè)壁P型柱比例(rSP)的方法。這些區(qū)域在溝槽結(jié)構(gòu)中經(jīng)過(guò)優(yōu)化間隔，確保對(duì)器件的短路能力進(jìn)行有效控制。此外，接地底部P井(BPW)提供了穩(wěn)定的開(kāi)關(guān)性能，并解決了溝槽底部的電場(chǎng)集中問(wèn)題。這些進(jìn)展顯著提高了溝槽SiC MOSFET的可靠性和效率，使其非常適合用于汽車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)。

J3系列SiC產(chǎn)品概述

J3系列SiC產(chǎn)品陣容如圖5所示，結(jié)合了先進(jìn)的SiC器件技術(shù)與T-PM，提供緊湊、高可靠性的設(shè)計(jì)。這些模塊具備低損耗、更高功率密度和可靠性。在其核心，J3-T-PM模塊是一個(gè)多用途的半橋單元，采用1300V SiC MOSFET技術(shù)，適用于800V電池架構(gòu)。該模塊尺寸為26.5mm x 53.9mm x 6.92mm(樹(shù)脂部分)。通過(guò)調(diào)整功率芯片的數(shù)量和并行模塊，6合1配置(J3-HEXAS和J3-HEXA-L)可以處理從50kW到300kW的輸出功率，并且通過(guò)并聯(lián)額外模塊，有潛力實(shí)現(xiàn)更高的功率，充分利用J3-T-PM的可擴(kuò)展性。

汽車(chē)用SiC技術(shù)

三菱電機(jī)正在加大對(duì)汽車(chē)和功率半導(dǎo)體領(lǐng)域的投資，計(jì)劃在日本福岡縣建立一座新的工廠，投資額達(dá)100億日元，預(yù)計(jì)于2026年開(kāi)始運(yùn)營(yíng)。該工廠將專注于功率半導(dǎo)體模塊的組裝和檢測(cè)，以滿足對(duì)高能效解決方案日益增長(zhǎng)的需求，尤其是電動(dòng)汽車(chē)，從而支持全球脫碳目標(biāo)。

此次投資的重點(diǎn)是硅碳化物(SiC)技術(shù)。公司正在推進(jìn)其J3系列汽車(chē)功率模塊，包括硅(Si)和SiC變體，以確保高性能、可擴(kuò)展的解決方案，適應(yīng)不斷發(fā)展的市場(chǎng)。