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

Future Developments

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

About SBD-embedded 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

Features

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。