为了实现 xEV 的广泛采用，延长行驶里程和降低电池成本至关重要。其中一个关键因素是限度地减少功率损耗并缩小逆变器中使用的电源模块的尺寸。自 1997 年以来，三菱电机公司通过电源模块为 xEV 的开发做出了贡献。 1997年推出的IPM（智能功率模块）将控制电路集成到模块中。 2001年，开发出以紧凑尺寸和高可靠性着称的T-PM（传递模塑电源模块）。
　　传统上，Si（硅）一直是功率模块的半导体。然而，SiC（碳化硅）由于能量损失显着降低，近年来受到了广泛关注。三菱电机公司自 20 世纪 90 年代以来一直在开发 SiC 技术，并将其应用于铁路、消费电子和汽车等各个行业。
　　目前，该公司正在重点开发的沟槽型结构，以进一步发挥SiC的优势。为了充分利用这些优势，确保低电感以限度地减少浪涌、低热阻以适应高温操作以及高可靠性的技术至关重要。
　　新电源模块系列的特点
　　新型电源模块是一款紧凑型半桥器件，封装尺寸为 26.5mm x 53.9mm x 6.92mm（模制树脂尺寸）。图 1 展示了该模块的规格和产品阵容。除了模块之外，还正在开发单个安装到冷却器的变体以及具有两个并行安装的配置。目前正在探索用于冷却器的铜和铝材料。
　　电源模块的主要性能特征包括：
　　使用创新的 SiC 器件和封装技术限度地减少逆变器功率损耗
　　高功率密度、低电感（两并联规格中为5nH）
　　优良的散热结构
　　将多功能芯片集成在单个封装中，包括温度传感器、平衡电阻和 DESAT 二极管，以简化客户电路设计
　　高速短路保护

　

　　图 1：新模块的规格和产品阵容
　　所需技术
　　通过封装小型化实现高功率密度并限度地减少杂散电感 (Ls) 面临着多项挑战。在芯片方面，开发低RDS(on)器件结构以减少热量产生并增强SiC性能至关重要。在封装方面，低热阻至关重要，需要高导热率的接合材料和散热片来改善散热。
　　虽然SiC芯片成本较高，但确保有效的散热面积分配至关重要。通常，需要外部安装电流和温度传感功能以进行保护，但合并这些检测功能（例如热敏电阻和 DESAT 二极管）会使小型化变得复杂。此外，由于SiC的低导通电阻和大饱和电流，提高短路承受能力是一个挑战，这需要更大的芯片体积，推高成本和封装尺寸，从而增加Ls。
　　应用于新系列的技术解决方案
　　SiC-MOSFET技术

　　SiC 因其相对于硅的优势而受到广泛关注，包括更低的开关损耗、更高的工作温度和更低的导通电阻。三菱电机于 90 年代开始开发 SiC 功率器件，并于 2010 年推出用于电气化铁路的代 SiC 功率 MOSFET。到 2013 年，具有优化单元尺寸和载流子注入机制的第二代器件进入量产。目前，具有沟槽栅极结构的新型SiC-MOSFET（图2）正在开发中。

　　图2：具有平面和沟槽结构的SiC功率器件（来源：参考文献1）
　　这种新结构可以缩小单元电池的尺寸，并通过高集成度实现低损耗运行。然而，沟槽结构带来了挑战，例如沟槽底部的电场集中，这可能导致器件击穿。为了解决这些问题，三菱电机引入了底部 P 阱 (BPW) 来减轻场集中，并应用侧壁连接 (SC) 和 JFET 掺杂 (JD) 来提高电势稳定性和电流路径效率，从而将导通电阻降低 50%。
　　散热技术
　　降低热阻是实现行业的小型化和高功率密度的关键。在早期的设计中，采用厚铜散热器与高导热绝缘片相结合。这种方法虽然有效，但在冷却性能方面存在缺陷，并且需要安全固定。
　　在新设计中（图3），模块内的绝缘片被高导热绝缘体取代，并引入了比传统无铅焊料具有更高热可靠性的接合材料。在模块底部用焊料代替润滑脂可显着改善散热效果，并且无需弹簧和固定板。
　　三菱电机还在开发采用新的铝针翅设计的铜和铝冷却器，可将导热率提高 30% 以上。

　

　　图 3：初始模块与终模块结构的比较（来源：参考文献1）
　　周边功能整合
　　鉴于SiC芯片的成本较高，在芯片内部集成温度传感和平衡电阻等功能带来了挑战。选择的方法是开发一种集成这些功能的新硅芯片，减少对外部组件的需求并实现更高的散热效率。结果，封装尺寸减小了 16%，杂散电感 (Ls) 减小了 20%，从而显着简化了电路设计。
　　短路保护
　　SiC的低开关损耗和高性能由于其饱和电流大而给短路保护带来了挑战。增加芯片尺寸可以提高短路承受能力，但会导致成本增加。三菱电机的解决方案是实施新的短路保护系统（SCM端子系统），该系统可减少短路能量并有效激活DESAT保护，与传统方法相比减少了短路能量。
　　输出电流
　　采用新型 SiC 模块，逆变器损耗显着降低。在175°C的工作温度和800V的主电池电压下，模块的2并联配置可实现超过500Arms的输出电流，相当于超过250kW的输出功率。在单个模块配置中，可以实现 250Arms，覆盖从 50kW 到 250kW 的宽输出范围。