SiC SBD晶元在牽引用3300V500A SiC混合模塊中的應用
引言
SiC作為寬禁帶半導體材料，與Si相比具有擊穿場強高、導熱係數高、載流能力大、開關速度快、可高溫工作等優點，適用於高壓、高溫、高頻等領域的應用。同時，SiC器件能夠顯著提升電力電子裝置的轉化效率，有利於節能和環保，裝置的高功率密度和輕量化。國家「十二五」和「十三五」都投入了大量的資金來進行SiC材料和器件的技術攻關。SiC模塊通常包括全SiC模塊和SiC混合模塊兩種。全SiC模塊是採用SiC MOSFET和SiCSBD按照一定的電路結構進行多晶元並聯的模塊。SiC混合模塊是採用SiC SBD替代Si FRD，與IGBT晶元按照一定的電路結構進行多晶元並聯的模塊。
全SiC MOSFET模塊方面，CREE研發了1700V以下的全SiC模塊，ROHM研發了1200V以下的全SiC模塊，並得到了一定範圍的應用。我國對SiC MOSFET的研究尚處於起步階段，高壓大電流SiC MOSFET器件在柵氧可靠性、成品率、測試驅動、性能檢測控制等方面還處於機理研究和試驗階段，大規模商業化的應用仍需一定的時間。基於以上狀況，高壓大功率SiC混合模塊在牽引領域的應用是一個折衷且穩妥的方案，它既能體現SiC材料的優勢，降低系統損耗，又能在成本方面被接受。富士、日立、三菱及一些科研結構都進行了SiC混合模塊的研究，雖然國內也進行了一些高壓SiC混合模塊的研究，但SiC混合模塊在牽引領域的應用研究還沒有相關報道。本文基於自主研發的3300V/32ASiC SBD，研製了一種機車牽引用3300V500A SiC混合模塊，對性能參數進行了測試與分析，並與3300V500A IGBT模塊的性能參數進行對比。採用PLECS軟體進行了牽引逆變器PWM工況下SiC混合模塊的結溫模擬。
模塊設計與封裝
為了減少變流器系統其他部件的設計變更，本文設計研製的3300V500A SiC混合模塊採用130mm×160mm×38mm標準Si IGBT模塊的封裝介面尺寸，電路結構為雙開關電路，每個橋臂的額定電流能力為500A，採用兩塊襯板並聯的方式。由於單顆SiC SBD晶元只有幾十安培，模塊需要使用多顆晶元並聯，以達到所需的電流能力。本設計中採用的IGBT晶元電壓電流等級為3300V/62.5A，SiC SBD晶元的電壓電流等級為3300V/32.5A，模塊共包含16顆Si IGBT和32顆SiC SBD晶元。晶元間採用引線鍵合的互連方式實現大電流，SiC SBD晶元與IGBT晶元反並聯。為了保證模塊中使用的晶元性能參數一致性，將SBD晶元的探針測試數據進行梳理，挑選VF與ICES一致性較好的晶元。IGBT晶元目前已經在機車領域得到了廣泛應用，性能參數一致性較好，無需進行篩選處理。
寄生電感、寄生電阻、結殼熱阻等是模塊設計中需要考慮的關鍵因素[10]。混合SiC模塊功率端子採用對稱結構來形成互感效應降低模塊內部電感；襯板電路及晶元布局採用對稱設計使晶元間的寄生電阻一致、電感差異最小化；SiC SBD晶元間進行互連減小鍵合引線的距離，增大引線的通流能力，達到晶元間的均流。以上因素在IGBT模塊中已經得到了充分的優化和驗證，本文不做過多的闡述。襯板單元實物如圖1所示。
圖1 3300V500A SiC混合模塊用襯板單元
Fig.1 3300V500Asubstrate unit of SiC hybrid module
SiC混合模塊與IGBT模塊相比，雖然工藝過程一致，但工藝參數存在一定的差異，如焊接和引線鍵合參數。SiC SBD晶元尺寸為6.1×6.1mm，在真空迴流焊接過程中若焊料多容易產生晶元漂移，焊料少則會使焊層產生空洞，影響晶元的散熱，進而影響模塊可靠性。SiC SBD晶元與Si FRD晶元厚度不同，表面金屬和工藝也略有差異，需要調整引線鍵合參數，並進行推力測試。通過對混合SiC模塊封裝工藝進行不斷優化，工藝過程檢測結果全部達到機車用IGBT模塊的參數要求。3300V500A SiC混合模塊如圖2所示。
圖2 3300V500A SiC混合模塊
Fig.2 3300V500ASiC hybrid module
特性測試
3.1二極體靜態特性
對封裝完成的模塊進行靜態性能測試對比，Si FRD和SiC SBD正向特性曲線見圖3所示。IGBT模塊中FRD在300A前為負溫度係數，混合模塊中SBD在25A前為負溫度係數。兩種二極體的正向電壓VF隨溫度升高而升高，SiC SBD具有更好的正溫度係數，利於晶元的並聯及器件的並聯應用。二極體正向直流電流500A條件下，25℃、125℃、150℃時的二極體正向電壓VF分別為2.0V，3.3V，3.8V，該值包括電流迴路寄生電阻引入的壓降約0.3V。25℃時SiC SBD低於Si FRD的正向電壓，高溫時則大於Si FRD的正向電壓。因此從晶元正向電壓來講，高溫工作條件下，僅SiC SBD導通損耗與Si FRD相比沒有優勢。
圖3二極體正向特性曲線
Fig.3 Diodetypical forward characteristics
3.2模塊動態特性
SiC混合模塊動態性能採用雙脈衝測試，電路如圖4所示，測試時模塊相互陪測，上管為陪測模塊，下管為待測模塊，測試完成後進行互換。
圖4.動態測試原理圖
Fig.4 Dynamictest schematic diagram
3300V500A混合SiC模塊的動態測試波形見圖5所示。在動態測試的評估中，第一個脈衝，被測模塊IGBT開通，其電流受負載電感的影響以線性方式上升。當第一個脈衝關斷後，被測模塊中的SiC SBD晶元進行續流。在第二個脈衝開通時，被測IGBT模塊中的SBD晶元處於反向恢復過程。在SBD晶元反向恢復前，電流流過SBD晶元，此時經過負載電感的電流與流經SBD晶元的電流疊加後，全部施加在被測模塊的IGBT晶元上。當SBD晶元反向恢復結束時，被測模塊的電流再次以線性方式上升。當第二個脈衝關斷時，被測IGBT能夠正常關斷。
圖5 SiC混合模塊動態測試波形
Fig.5 Dynamictest waveforms of SiC Hybrid module
SiC混合模塊集成了IGBT晶元與SiC SBD晶元，工作過程中兩者交替開通與關斷。寬禁帶SiC材料與Si材料相比本身具有一定的優勢，SiC混合模塊的反向恢復時間較短，將SiC混合模塊的反向恢復與IGBT模塊反向恢復波形進行對比，如圖6所示。SiC SBD晶元反向恢復過程中，幾乎不存在恢複電流Ir，拖尾電流短，二極體電壓Vr略有波動，但反向恢復損耗非常小。因此，對於3300V500A SiC混合模塊，反向恢復能量幾乎可以忽略。
圖6. SiC混合模塊與IGBT模塊反向恢復波形對比
Fig.6 Reverserecovery waveforms of SiC hybrid module compare with IGBT module
SiC SBD晶元在反向恢復速度較快，對模塊的開通也有一定的影響，將SiC混合模塊和IGBT模塊的開通波形放在一起進行對比分析，如圖7所示。
圖7. SiC混合模塊與Si IGBT模塊開通波形對比
Fig.7Switch waveforms of SiC hybrid module compare with IGBT module
從圖7中可以看出，在IGBT的開通過程中，由於FRD反向恢複電流的存在，普通模塊會在IGBT上疊加額外的電流。過沖電流會對IGBT器件形成衝擊，而SiC混合模塊反向恢複電流遠小於Si IGBT模塊，則不會存在此過沖電流。開通過沖電流的減小，會大大減小器件的開通能量。SiC混合模塊由於反向恢複電流小，施加在IGBT晶元上的過電壓顯著降低，利於模塊的可靠性提升。
隨著IGBT器件驅動柵極電阻減小，開通速度加快，其開通能量大幅減小。普通IGBT模塊會受限於FRD的安全工作區，必需限制其開通速度（開通電流變化率di/dt），SiC混合模塊則無安全工作區的限制。SiC混合模塊可以加快IGBT的開通速度，從而大大減小應用時的開通能量。
相同測試條件下，將IGBT模塊和SiC混合模塊的開關損耗數據進行對比，如表1所示。IGBT模塊一次開關所產生的損耗為3280mJ，SiC混合模塊一次開關產生的損耗為2090mJ，損耗約降低32.6%。
表1 IGBT模塊與SiC混合模塊損耗數據對比
Tab.1Energy loss comparison of IGBT module and SiC hybrid module
熱阻特性
連續正向直流電流IF是模塊的重要參數指標，本設計採用的是常規IGBT模塊的結構，因此僅需驗證二極體的連續正向直流電流。連續正向直流電流IF與模塊的最高工作結溫、殼溫、模塊熱阻、二極體正向電壓（IF及Tj條件下）等參數相關，具體見公式（1）。
按照JEDEC 51-1規定，通過測量SiC混合模塊的溫度校準係數，加熱穩定後的功率，使用T3ster熱瞬態測試儀得到瞬態響應曲線，並將結果轉化為積分結構函數，得到了混合SiC模塊的瞬態熱阻抗曲線[11]，如圖8所示。
圖8. SiC混合模塊瞬態熱阻抗曲線
Fig.8Thermal resistance curves of hybrid SiC module
從8圖中可以獲取IGBT晶元的結殼熱阻為23.5K/kW，SiC-SBD晶元的結殼熱阻為36 K/kW。從晶元面積角度分析，單顆Si FRD晶元的面積為13.5mm×13.5mm，IGBT模塊的二極體結殼熱阻為48 K/kW；4顆SiC SBD晶元的面積總和為12.2mm×12.2mm，在晶元面積減小的情況下，熱阻反而降低了25%，充分體現了SiC材料高導熱係數的優越性，且增加了二極體的電流裕量。
對於本文研製的3300V500ASiC混合模塊，按照Tj=150°C，TC=80°C，=3.8V，根據公式（1）計算出連續正向直流電流IF約為511A，滿足技術要求。另外，SiC SBD晶元可以在大於150℃的工況下正常工作，Si FRD則無法與SiC SBD相比，在額定電流能力方面，SiC混合模塊具有更大的裕量，因此SiC混合模塊更加可靠。
應用工況模擬
5.1模擬模型
為了計算模塊在實際工作過程中的最高結溫，在PLECS模擬平台上搭建電路模擬，應用工況選用三相兩電平逆變器驅動電機負載的電路，模擬電路如圖9所示。
圖9應用電路模擬模型
Fig.9Application circuit simulation modle
直流電源通過6個3300V500A SiC混合模塊或IGBT模塊構成逆變器進行逆變輸出，電阻、電感、反電動勢模擬三相電機負載，模塊內部兩單元分別作為上下橋臂，採用開環PWM控制方法，熱、電模擬參數如表2。
表2模擬條件參數
Tab.2Simulation condition parameters
5.2模擬結果
按照三種工況進行模擬，設定輸出電流有效值為250A，最大輸出電流350A，最大制動電流360A，每種輸出電流下運行30s。根據損耗計算方法[12]，計算得到了三種工況下的IGBT模塊和混合SiC模塊的損耗。
在輸出電流有效值為250A工況下，運行30s已達到熱平衡，IGBT模塊和和SiC混合模塊的最高結溫見圖10所示。
圖10 IGBT和二極體晶元最高結溫變化
Fig.10 Maximumjunction temperature variation of IGBT and Diode Dies
從圖10中可以看出，模塊溫度先急劇上升，然後溫度逐漸下降，原因是電機啟動過程損耗較大。SiC混合模塊中IGBT和SiC SBD晶元的最高結溫都要低於IGBT模塊，尤其晶元採用SiC SBD顯著降低了二極體的最高結溫。模塊整體溫度降低，二極體電流能力裕量更大，模塊可靠性更高。將3種工況下的晶元溫度進行匯總，見表3。
表3最高結溫模擬結果
Tab.3Simulation results of maximum junction temperature
從表3中可以看出，三種工作工況下SiC混合模塊的最高結溫都小於IGBT模塊，工況越惡劣越能體現SiC混合模塊的優勢，SiCSBD晶元的溫升較小。制動工況下SiC混合模塊IGBT晶元溫度最高131.7℃，SiC SBD晶元的溫度僅為84.9℃，模塊能夠正常工作。通常機車牽引用IGBT模塊的環境溫度低於80℃，因此在三種模擬工況下， SiC混合模塊的安全工作溫度都有一定的裕量，滿足系統的要求。
結語
本文設計研製了3300V500A SiC混合模塊，使用SiC SBD晶元代替了Si FRD晶元，進行了相關工藝驗證，滿足機車用模塊標準。在模塊性能方面，SiC SBD晶元的靜態參數具有更好的正溫度係數，利於模塊的並聯使用。SiC混合模塊二極體的熱阻較IGBT模塊顯著降低，模塊的額定電流能力裕量更大，能夠提升模塊的可靠性。在模塊動態性能方面，SiC 混合模塊的反向恢復能量幾乎可以忽略，減小了開關過程中對IGBT晶元的電壓、電流過沖，IGBT的安全工作區更大。通過PWM工況進行了模塊溫度模擬，在額定條件下和極端制動條件下，混合SiC模塊晶元溫度都低於IGBT模塊，滿足模塊正常工作的溫度要求。
通過高壓大功率3300V500A混合SiC模塊的研製，實現了機車牽引用IGBT晶元、SiC SBD晶元及模塊的國產化，性能參數滿足機車牽引逆變器對模塊的參數要求，推動了國內SiC材料在牽引系統中的應用。
來源：公眾號【中車時代半導體】
