新型芯片結構能有效防止浪涌電流集中在特定芯片上

圖1

新開發的芯片結構（上:芯片截面；下:并聯芯片）

三菱電機集團近日（2023年6月1日）宣布，其開發出一種集成SBD的SiC-MOSFET新型結構，并已將其應用于3.3kV全SiC功率模塊——FMF800DC-66BEW，適用于鐵路、電力系統等大型工業設備。樣品于5月31日開始發售。該新結構芯片有望幫助實現鐵路牽引等電氣系統的小型化和節能化，促進直流輸變電的普及，從而為實現碳中和做出貢獻。

SiC功率半導體因其能顯著降低功率損耗而備受關注。三菱電機于2010年將搭載SiC-MOSFET和SiC-SBD的SiC功率模塊商用化，在空調、鐵路等多種逆變系統中采用了SiC功率半導體。

與傳統的芯片分開并聯方法相比，集成了SiC-MOSFET和SiC-SBD的一體化芯片可以更緊湊地封裝在功率模塊內，從而實現功率模塊的小型化、大容量和更低的開關損耗，有望在鐵路、電力系統等大型工業設備中得到廣泛應用。到目前為止，由于集成SBD的SiC-MOSFET功率模塊的抗浪涌電流能力相對較低，浪涌電流只集中在某些特定的芯片上，導致芯片在高浪涌電流時熱損壞，因此在實際應用中一直面臨困難。

三菱電機率先發現了浪涌電流集中在功率模塊內部某些特定芯片上的機理。開發了一種新的芯片結構，在這種芯片結構中，所有芯片同時開始通流，使浪涌電流分布在各個芯片上。因此，與本公司現有技術相比，功率模塊的抗浪涌電流能力提高了五倍以上，獲得了與現有Si功率模塊同等或更高的浪涌電流耐量，從而實現了集成SBD的SiC-MOSFET功率模塊。

本開發成果的詳細情況已于5月31日14時（當地時間）在香港舉辦的ISPSD 2023（5月28日至6月1日）上發表。

未來展望

Future Developments

這項新技術將應用于SiC功率模塊，從而實現鐵路牽引系統的小型化和節能化。此外，通過使用低功率損耗變流器進行直流輸電，有望實現比交流輸電更低的傳輸損耗，從而為實現碳中和做出貢獻。

關于集成SBD SiC-MOSFET

About SBD-embedded MOSFET

在傳統的SiC功率模塊中，用于開關的SiC-MOSFET和用于續流的SiC-SBD作為兩個芯片被單獨制造，并在模塊內通過并聯連接。相反，三菱電機開發的集成SBD的SiC-MOSFET（圖2）通過在SiC MOSFET元胞中周期性地插入SiC-SBD來集成這兩個芯片。

圖2

集成SBD的SiC-MOSFET實現了SiC-MOSFET和SiC-SBD一體化

特點

Features

突破性發現——浪涌電流集中在特定芯片上的機理

傳統情況下，當浪涌電流流過并聯連接的多個集成SBD的MOSFET芯片時，浪涌電流只集中在某些特定芯片上，無法獲得與并聯芯片數量相對應的浪涌電流耐量。根據物理分析和器件模擬分析的結果，如果內置SBD的芯片尺寸與其他芯片略有不同（寬度略小，如圖3），那么浪涌電流就會集中在該特定芯片上，從而導致該芯片在其他芯片導通之前流過浪涌電流。這個尺寸偏差是極其微小的，在正常的芯片制造過程中基本上是無法避免的。

圖3

現有技術中電流集中到特定芯片的機理

新的芯片結構——所有并聯的芯片同時導通

為了防止浪涌電流集中到特定芯片上，三菱電機針對芯片總面積占比不到1%的元胞，開發了不配置SBD的新芯片結構。這種元胞與配置SBD的其他元胞相比，能夠更快速導通浪涌電流，并且由于不存在SBD，所以不受微小尺寸偏差的影響。浪涌電流可以在所有并聯芯片中沒有配置SBD的相應元胞中同時開始導通。

此外，由于浪涌電流降低了SiC周邊的阻抗，觸發其周圍元胞開始導通，形成連鎖反應。這種現象導致以沒有配置SBD的元胞為起點，浪涌電流在整個芯片區域傳播。因此，浪涌電流分布在所有芯片的所有區域，防止了由于浪涌電流集中在特定芯片上而導致的芯片熱擊穿，從而提高了浪涌電流耐量（圖4）。

圖4

新結構避免了電流集中在特定芯片上

增強的扛浪涌電流能力——使內置SBD的SiC MOSFET功率模塊成為可能

通過采用這種新的芯片結構，使內置SBD的SiC-MOSFET模塊抗浪涌電流能力比本公司現有技術提高了5倍以上，與廣泛使用的傳統Si功率模塊相當或更大。此外，由于浪涌電流的鏈式反應，沒有配置SBD的元胞僅占總芯片面積的一小部分（小于1%），不會因為內置SBD面積的減少而影響功率模塊的低導通電阻和低開關損耗等特性。因此，鐵路、電力系統等大功率用功率模塊所要求的芯片并聯成為可能，實現了內置SBD的SiC-MOSFET功率模塊。

圖5

新技術提高了抗浪涌電流能力

關于三菱電機

三菱電機創立于1921年，是全球知名的綜合性企業。在2022年《財富》世界500強排名中，位列351名。截止2022年3月31日的財年，集團營收44768億日元（約合美元332億）。作為一家技術主導型企業，三菱電機擁有多項專利技術，并憑借強大的技術實力和良好的企業信譽在全球的電力設備、通信設備、工業自動化、電子元器件、家電等市場占據重要地位。尤其在電子元器件市場，三菱電機從事開發和生產半導體已有60余年。其半導體產品更是在變頻家電、軌道牽引、工業與新能源、電動汽車、模擬/數字通訊以及有線/無線通訊等領域得到了廣泛的應用。