全球范围内对碳中和目标的共同追求，正推动各行各业朝着更高效率、更高功率密度的电力电子技术方向发展。当传统的硅IGBT模块性能已接近极限时，碳化硅mosfet模块凭借更高的开关速度和更优的热性能，能够实现所需的性能跨越。

尤其是在轨道交通、电网基础设施或储能等关键应用中，故障是不可接受的。这些系统必须在严苛的电气、热和环境条件下，在整个长寿命周期内提供最高性能。三菱电机最新的Unifull™碳化硅模块，通过采用先进材料、优化封装技术以及聚焦长期可靠性的设计方法，旨在满足这些要求。

从硅到碳化硅：系统级的深远影响

仅基于器件级的数据表对比，碳化硅MOSFET相对于硅IGBT的优势已广为人知。然而，当从系统级改进的角度审视时，这项技术变革的全部潜力才得以彰显。下文将以此视角分析几个典型应用。

电池列车应用

一个典型示例是将电池供电的电动车组(BEMU)的3.3 kV牵引变流器从硅IGBT升级为碳化硅MOSFET模块 [1]。如图1所示，碳化硅器件降低的动态损耗使得开关频率得以显著提高，从而大幅减小了输出电感和相关磁性元件的体积。这种架构上的转变，最终导致变流器整体损耗和质量显著降低。

图1

当根据标准化行驶循环(EN 50591)进行评估时，这些改进直接转化为可衡量的车辆级效益，包括电池放电减少、能效提高、再生制动能力增强、噪音降低以及车辆续航里程整体提升15-20% [1]。此案例突显了碳化硅在牵引应用中的核心价值在于其对变流器设计、磁性元件和热裕量的系统级影响，而不仅仅是器件级性能的微小改进。

MMC STATCOM应用

另一个代表性应用是基于模块化多电平变流器(MMC)且采用三角形连接H桥子模块的中压STATCOM。尽管MMC工作在较低的开关频率(~300 Hz)，但与传统的硅IGBT相比，碳化硅MOSFET仍能带来成本优势 [2]。

以一个±18 MVAr STATCOM为例，其用于12 kV电网，每相包含12个子模块。通过结合电热模型、基于数据表的器件行为以及面向应用的气候和运行工况，使用PSCAD仿真对每个子模块进行了分析。在所有温度和负载条件下，碳化硅MOSFET始终表现出比硅IGBT更低的损耗，从而显著降低整个系统的年能量损耗。

根据所考虑的元器件价格 [2]，碳化硅模块的额外初始投资可在1-3.5年内收回，在有利情况下甚至不到一年，具体取决于负载曲线和电价 [2]。这些结果表明，即使在低频应用中，碳化硅也比硅具有明显的经济效益。在HVDC应用中同样观察到碳化硅相对于硅的类似优势，这些应用的开关频率也相对较低，这突显了碳化硅在用于高可靠性应用的高频变流器之外的长期价值。

电池储能系统

在大规模光伏和电池储能逆变器中，尽管开关频率仍然不高，但也能观察到碳化硅相对于硅的系统级优势 [3]。碳化硅MOSFET由于其线性欧姆特性而提供更高的效率，尤其是在部分负载下，与IGBT的对数正向特性相比，其导通损耗更低。

在储能应用中，这种优势更加明显，因为损耗在充电和放电循环中会发生两次。通过同时降低开关和导通损耗，基于碳化硅的逆变器增加了可用能量，提高了往返效率，直接转化为更低的运营成本和碳化硅技术的快速投资回报。在实现这些优势的同时，还提高了热鲁棒性并减少了对无源元件的需求，进一步巩固了碳化硅在除高频功率变流器之外的广泛应用价值。

从系统级性能到模块可靠性

尽管碳化硅具有已证实的系统级优势，但在那些不允许发生故障的应用中，人们的顾虑依然存在。在此背景下，以下章节将描述Unifull™模块概念以及经过验证的、以可靠性为中心的设计措施，这些措施使得上述应用层面的优势得以在实践中实现。

Unifull 概念与产品阵容

Unifull产品系列采用三菱电机最新的高压碳化硅技术，封装在标准化的LV100外壳中，实现了对称、低电感的布局，为快速开关操作进行了优化 [2]。如图2所示，产品阵容包括额定电流从200A到800A的3.3 kV半桥模块，以及两种800A斩波器变体，以提供更大的设计灵活性。

图2

其一个关键特性是将抗并联肖特基势垒二极管(SBD)集成到MOSFET结构中，这一方面阻止了体二极管导通，消除了双极型退化的风险;另一方面，在同步整流模式下进一步降低了导通损耗，并避免了因本征双极型体二极管而产生的反向恢复损耗。优化的芯片设计和更高的开关速度进一步增强了模块的动态性能，而AlN衬底和低热阻焊料则提高了高性能应用中的热性能。先前的文献已表明，额定电流400A的FMF400DC-66BEW型号能够超越上一代额定750A的碳化硅模块，通过Unifull™模块实现了更高效、更具成本效益的改进 [4]。

Unifull 模块的最高可靠性与鲁棒性

碳化硅MOSFET的一个主要可靠性风险是通过体二极管进行双极型导通而引起的双极型退化。虽然传统的应对措施是添加一个单独的反并联肖特基势垒二极管(SBD)来抑制这种机制，但这会增加模块面积和成本。Unifull™模块通过将SBD直接集成到MOSFET结构中克服了这一限制，确保了无双极型退化的运行。尽管嵌入SBD的MOSFET通常被认为会降低I²t承受能力，但这一缺点已通过三菱电机专有的BMA技术得到解决和补偿 [5]。

除了器件级的鲁棒性外，还进行了广泛的可靠性测试。图3(a)和(b)所示的交流和直流功率循环测试证实了阈值电压Vth的长期稳定行为。直流循环显示，无论正栅极偏压还是负栅极偏压，都没有显著影响;而基于JEP195标准的交流循环仅导致Vth小幅增加。当外推到汽车和光伏应用相关的目标循环次数时，预计的Vth漂移在器件预期寿命内远低于1 V，显示出强大的长期运行稳定性。由于Vth漂移与栅极氧化物质量直接相关，这些结果证实了与其他制造商相比，其栅极氧化物具有非常高的可靠性。此外，根据ECPE指南进行的HV-H3TRB测试(图3(c)所示)验证了其优异的抗湿度诱导退化能力 [6] [7]。

对于长使用寿命下的机械可靠性，Unifull模块采用了AlSIC基板，提供了经过验证的出色热循环性能。

通过使用先进材料提升功率循环寿命

尽管碳化硅功率模块提供了众多性能和效率优势，但由于材料特性的差异以及由此产生的应力，其功率循环能力通常被认为低于传统的硅模块，这最终可能限制这些模块的长期使用。

模块的功率循环寿命受引线键合技术的强烈影响。虽然诸如铜键合或平面布线焊接等替代方法可以提高功率循环寿命，但这些解决方案通常会增加成本和复杂性，且不太适合大规模生产。为了取得合理的权衡，三菱电机专注于通过开发先进的铝合金键合线来改进传统的铝线键合技术 [8]。

铝合金线提供了显著的灵活性，因为其机械性能可根据合金成分和热处理进行调整，同时仍可使用现有的铝线键合设备进行处理。这使得能够以成本有效的方式提高循环寿命。所有被研究的铝合金样品都显示出循环寿命的提高，并且观察到这种提高随着铝合金线晶粒尺寸的减小而增加，晶粒尺寸是主要影响因素。众所周知，更小的晶粒尺寸导致更高的屈服应力，如Hall-Petch关系所述：

σy = σ0 + k / √d

其中σy是屈服应力，σ0和k是材料常数，d是晶粒尺寸。

晶粒细化通过增加单位体积内的晶界数量来阻碍整体位错运动，从而提高屈服应力。更高的屈服应力导致在功率循环过程中产生更大比例的弹性变形和减少的塑性变形贡献，直接降低了疲劳损伤的累积，延长了功率循环寿命。

图3

在增强键合线材料的同时，研究芯片表面金属化层也很重要，因为当芯片表面的裂纹扩展成为更早的问题时，它可能成为功率循环寿命中新的瓶颈。这尤其危险，因为它可能导致芯片损坏，必须避免。因此，图4(a)-(c)研究了不同的金属化层，解决方案是使用主要由Ni组成的硬质金属化层来抑制裂纹向芯片表面的扩展，以确保在使用铝合金线以获得卓越功率循环性能的同时，实现稳定的长期行为。

所选用的细晶粒铝合金线随后被应用于采用银烧结芯片粘接的3.3 kV碳化硅功率模块样机中，以评估其实际的功率循环能力。测试在∆Tvj=90 K、ton=5 s、Tvjmax=150°C的条件下进行，采用二极管电流，故障判定标准设为VSD增加5%。结果如图4(d)所示，与传统的铝线模块相比，循环寿命提高了五倍 [8]。这些结果证实，优化的铝合金线键合技术与兼容的芯片金属化层相结合，为提高碳化硅模块的功率循环可靠性提供了一种实用且高效的解决方案。

图4

结论

电气化的未来远不止于轨道交通应用，而是延伸至所有不仅要求高性能、同时也将长期可靠性作为关键要求的核心设计。三菱电机最新的Unifull™碳化硅模块，通过结合稳健的设计、先进材料的应用以及通过各种测试进行的可靠性验证，旨在应对这些挑战。