功率模块中的完整碳化硅性能怎么样？

　　本文重点介绍赛米控碳化硅在功率模块中的性能，特别是SEMITRANS 3模块和SEMITOP E2无基板模块。
　　分立器件（如 TO-247）是将碳化硅集成到各种应用中的第一步，但对于更强大和更复杂的设计，功率模块的集成能力使其成为首选。但是哪些封装适用于快速开关碳化硅器件？
　　当传统硅器件在功率损耗和开关频率方面达到极限时，碳化硅可能是合适的半导体选择。高达 30 至 40kHz，最新一代硅 IGBT 和二极管与多电平配置等新拓扑相结合，可提供最佳的性价比。混合碳化硅结合了高速硅IGBT和碳化硅肖特基续流二极管，也是一个不错的选择，与纯硅解决方案相比，可将功率损耗降低多达50%。
　　
　　图 1：模块和系统电感及其对 MOSFET 关断期间瞬态过电压的影响
　　在40kHz以上，SiC MOSFET可能是最佳选择，但给功率模块和系统设计带来了挑战。快速开关会产生陡峭的电流斜率和高di/dt值。模块和系统的寄生电感LModule和LDC-Link会因此而产生电压降，从而导致芯片两端的电压过冲。
　　如果电流斜率过高，该过压可能会超过SiC器件的最大阻断电压，例如1200V。降低开关速度或直流母线电压VDC母线将降低过压，但会损害SiC功率模块的性能。因此，专注于低换向电感的模块和系统设计至关重要。
　　模块的换向电感主要由12至18nH的直流母线端子提供，具体取决于功率模块设计。DBC 设计，即 DBC 走线和引线键合，再贡献 1 到 6nH。优化自由度在很大程度上取决于整体功率模块设计。
　　半导体 3 模块
　　SEMITRANS 3模块包括优化的直流母线端子。由于端子在内部的平行引导，整个封装的换向电感为15nH。
　　这使得 SEMITRANS 3 非常适合使用中等开关速度和高达 25 kHz 频率的中功率和高功率碳化硅设计。全碳化硅半桥拓扑结构的额定电流为 350A 和 500A，带或不带碳化硅肖特基续流 1200V 二极管。
　　另一个例子是MiniSKiiP，这是一种无底板电源模块，使用赛米控的SPRiNG系统将电源和辅助端子连接到PCB。弹簧位置由外壳设计固定，换向电感只能在DBC设计的限制范围内得到改善。由此产生的换向电感约为 20nH，对于 6 组功率模块，这允许在中低功率范围内使用全 SiC 模块。在全碳化硅中，MiniSKiiP 提供 25A 至 90A 的 6 件拓扑结构，适用于 1200V，以及 50A、100A 和 150A 的混合碳化硅芯片组。
　　半顶 E2 模块
　　SEMITOP E2是允许全面优化的无底板模块。凭借其位于外壳顶部的引脚网格结构，压接引脚可以在整个封装内自由分布。广泛的仿真有助于创建仅具有6nH换向电感的半桥设计。该模块并联配备 6 个碳化硅 MOSFET，在 25°C 时导通为 7.5mOhm。
　　由于采用该设计，交流和直流侧在模块的相对边缘分开，因此直流母线PCB也可以设计为低电感。这意味着 DC+ 和 DC– 可以在 PCB 内保持并联的最大距离，从而减少换向环路。
　　优化换向电感的优点是安全工作区，在 600V 直流母线电压下支持超过 50kV/μs 的开关速度，包括 SiC MOSFET 的阻断电压与 MOSFET 芯片两端测量的过压之间有足够的裕量。图4显示了开关损耗与漏极电流的关系，外部栅极电阻为0.5Ω，内部栅极电阻为0.5Ω。
　　功率模块的整体热性能也很重要。碳化硅芯片的功率密度高于硅器件。与具有相同标称电流的硅IGBT相比，SiC MOSFET通常表现出显着较低的开关损耗，尤其是在部分负载下的压降更低。这在标称负载下会产生更小的芯片面积，从芯片到基板或散热器的热阻（Rth（j-c）或Rth（j-s））不希望更高。
　　模块的热阻
　　然而，芯片面积可能不足以满足过载条件。由于SiC器件的温度系数通常为正，因此静态或正向损耗变得重要，并增加过载期间的总损耗。增加额外的SiC MOSFET芯片以降低RDS，会增加过载能力，但也会增加功率模块的成本。SiC仍然很昂贵，只应使用所需的最小SiC芯片面积。解决方案在于提高模块的热阻。
　　在基板功率模块中，将模块电绝缘到散热器的陶瓷基板占整体热阻的最大份额。如今，有许多具有不同机械和热性能的材料可供选择。表1概述了最常用的材料：氧化铝（Al2O3），氮化硅（Si3N4）和氮化铝（AlN）。
　　今天的标准是氧化铝，在热/机械行为和成本之间提供了良好的权衡。AlN的导热系数是Al2O3的9倍，但机械稳定性较差。这一弱点必须通过增加厚度来抵消，这会影响热改进。
　　Si3N4的导热系数是Al2O3的3.5倍，但具有最佳的机械规格。因此，这种材料用于更薄的层，以补偿较低的导热性并产生与AlN相似的热性能。表1显示了这三种材料的概述，总结了它们的热性能和机械坚固性。
　　

　　表1：不同陶瓷基板的机械和热规格
　　表 2 显示了 SEMITRANS 3 全 SiC 半桥功率模块的案例研究。提供Al2O3和AlN基板，具有更高热性能的基板的优势是显而易见的。Al2O3 版本以 100% 的模块成本为每个开关使用 12 个芯片，以实现 431A 的连续漏极电流。如果将基板更改为AlN，芯片减少到8，则连续漏极电流保持在相同范围内，而功率模块的成本降低到75%。
　　

　　表 2：SEMITRANS 3 完整碳化硅案例研究
　　只有使用硅或碳化硅电源模块才能用基于TO器件的电源设计取代耗时的生产流程。SiC的特定特性需要优化换向电感和热性能。因此，可以提高性价比，并充分利用SiC的优势，使应用受益。

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