目录

1. MOSFET, IGBT与SiC Mosfet工作原理回顾

2. 什么是DCM™

• 2.1 键合缓冲器技术(Danfoss Bond Buffer技术)

• 2.2 ShowerPower® 和 SP3D®

• 2.3 电气技术 

• 2.4 传递模塑技术(Transfer Molding Technology)

• 2.5 封装外形易于集成

3.  SiC MOSFET静态特性

• 3.1 导通状态

• 3.2 阻断状态

4. SiC MOSFET动态特性

• 4.1 MOSFET开通

• 4.2 MOSFET关断

• 4.3 体二极管关断

• 4.4 短路行为

• 4.5 反向偏置安全工作区（RBSOA）

• 4.6 温度依赖性

5. 损耗

• 5.1 导通损耗

• 5.2 开关损耗

6. 可靠性

• 6.1 栅氧化层

• 6.2 功率循环

• 6.3 湿度

• 6.4 宇宙辐射

7. DCM™ 1000和DCM™ 1000X功率模块技术平台

• 7.1 DCM™ 1000功率模块技术平台

• 7.2 DCM™ 1000X功率模块技术平台

8. 总结

来源：Danfoss

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03 SiC MOSFET静态特性

3.1 导通状态

SiC MOSFET的工作原理与Si基器件基本相同，均通过栅极控制漏极与源极之间的电流流动。当栅极关断(VGS≤0V)时，沟道关闭，器件处于阻断状态；当栅极电压高于阈值电压时（VGS>VGS(th)），沟道开始开启（P区在电场作用下反向，PN结局部小时），电流可以流通；随着栅极电压升高，更多沟道被开启（更多P区反向），导致沟道电阻降低，因此总导通电阻（RDS(on)）也降低。

SiC的临界场强远远高于Si，因此与Si相比，N漂移区可以做得更薄，正向压降也更低。如下图中左图所示为当VGS=VGS(th)时，部分沟道开启；下图中右图所示为当VGS=VGS(On)时，沟道完全开启。

通常希望采用更高的栅极电压，以最大限度地降低导通损耗。因为栅极电压越高，在给定电流下的漏源电压越低，如下图所示。需要说明的是，降低损耗的同时，也需要考虑与其他因素的权衡，因为更高的VGS会使得沟通更加开放，允许更高的短路电流流通，并增加脉冲期间的应力，需要快速检测并关断短路脉冲，否则会损坏MOSFET。

在大电流下，RDS(on)呈现非线性特性，是电流的函数，且随电流增大而增大。对于极高电流，MOSFET会进入退饱和状态，输出特性几乎变成水平，如上图中所示的VGS=8V的曲线所示，退饱和水平随栅极电压升高而上升，随温度升高而下降，如上图中，在VGS=8V时，ID与VDS的曲线急剧弯曲，而在VGS=15V时，这种效果并不明显。

对于损耗计算，一般会忽略MOSFET的退饱和效应，在给定温度下选取一个RDS(on)值；由于非线性工作区域通常在设计之初选型时就已经避开，因此使用单一RDS(on)值带来的误差相对较小，且计算更加简单。

SiC MOSFET的特性会随着温度变化，影响最为显著的是导通电阻RDS(on)。这种影响体现在器件正向和反向的电压电流特性中；RDS(on)具有显著的正温度系数，即温度升高时，RDS(on)也增大，如下图所示，这为芯片并联和模块提供了固有的电流平衡能力。

MOSFET的P型掺杂体区和N型掺杂漂移区形成一个PN二极管，这个体二极管在MOSFET反向偏置是正向导通。体二极管的行为类似典型的PN二极管，但受栅极影响时存在一些附加效应，如下图所示，绿色框标出了MOSFET内部本质上为PN二极管的垂直部分；当栅极电压为负时，只有二极管激活；存在反向电流时，空穴产生，电流流通，且电流随正向压降呈指数增长。

3.2 阻断状态

SiC的击穿电场强度（V/cm）明显高于Si，这一特性可以用于制造更高阻断电压的器件，或在相同阻断额定值下制造更薄的器件，从而降低损耗。SiC器件发展的趋势是减小厚度以实现更低的RDS(on)值。

Si器件的漏电流(ICES)在温度每增加11℃时增加一倍，这可能导致在高温下器件的热失控，例如短路时出现的极端结温，即使器件在开发初期通过了相关的双脉冲测试；而SiC MOSFET的漏电流通常要小很多，且增长速率也低于Si器件，这是SiC器件的一个重要特性，使其能够实现更高的结温限制。

04 动态特性

4.1 MOSFET开通

开通期间，漏极电流与栅源电压直接相关。栅极的快速充电可导致高达 30…50kA/µs 的 di/dt，这是 IGBT 的 5 到 10 倍；使用集成体二极管作为换流器件时，MOSFET 中也会产生恢复损耗；而碳化硅 SBD 几乎不产生反向恢复电流（Irr），与 MOSFET 配合使用时，MOSFET 的开通电流大幅降低，因此开通损耗（Eon）也会降低。

4.2 MOSFET关断

与 IGBT 相比，MOSFET 的关断损耗（Eoff）相当低。这是因为 MOSFET 是单极器件，仅依靠电子载流；而 IGBT 中电子和空穴共同载流，降低了导通电压，但关断时电子 - 空穴对及由此产生的尾电流会导致显著更高的关断损耗；由于没有电子 - 空穴等离子体，MOSFET 可以更快关断，且损耗更低。与 IGBT 不同，漏极电流和漏源电压的 di/dt 和 dv/dt 可通过栅极很好地控制。

4.3 体二极管关断

与 IGBT-PN 二极管组合相比，仅包含MOSFET(不使用SBD)时，其损耗显著降低，且无需额外碳化硅芯片的成本。

4.4 短路行为

短路期间，数百千瓦甚至兆瓦的功率会耗散到芯片中，导致结温可能达到数百摄氏度；短路期间的发热量是直流母线电压、短路电流、脉冲持续时间和芯片热质量等因素的函数。

短路期间的功率耗散几乎完全发生在沟道结构内，仅加热芯片表面，而非像 IGBT 那样加热整个体积；为实现最低的RDS(on)，通常使用更高的栅极电压，但缺点是短路时会产生更高的电流。此外，碳化硅 MOSFET 芯片比同等额定值的 IGBT 小得多，电流密度更高。因此，碳化硅 MOSFET 在更短的脉冲下就会达到临界温度，有些碳化硅 MOSFET 仅允许最高 2µs 的短路持续时间。

4.5 反向偏置安全工作区（RBSOA）

碳化硅 MOSFET 在 RBSOA 期间的电压过冲可能高于类似的 IGBT；碳化硅 MOSFET 的开关速度往往高得多，导致更高的 di/dt 和 dv/dt，这可能在关断期间引起振荡，导致电压尖峰可能超过器件的额定值。

使用碳化硅器件时，必须格外注意最小化换流回路的杂散电感，并保持器件间的对称性，这将有助于减少电压过冲并维持电流分配。因此，新的发展趋势是采用低剖面封装。

4.6 温度依赖性

125℃和 150℃时的开关损耗值非常接近，如下图所示；然而，开关损耗具有轻微的负温度系数，这是因为阈值电压的负温度系数意味着高温下栅极电流更高。在开关损耗占主导的高开关频率应用中，这是一个缺点，因为热芯片会承担更多电流，损耗也更高。

为确保良好的动态均流，必须格外注意使并联模块尽可能对称；碳化硅 MOSFET 比硅 IGBT 更高的开关速度意味着这种需求更为迫切。

05 损耗

SiC MOSFET的损耗计算与Si基IGBT类似，总损耗分为导通损耗和开关损耗。与IGBT的不同点在于，MOSFET能够在反向导通时通过沟通传递负向电流（源极到漏极），因此反向电流可以通过在MOSFET沟道，体二极管和外部SBD中三种方式流动。

5.1 导通损耗

在以下讨论过程中，使用电流分配因子Ki表示总电流中流过每个器件的部分：

正向导通时，KiMOSFET=1, Kibodydiode=0；反向导通时，KiMOSFET和Kibodydiode都小于1，具体取决于MOS沟道和体二极管之间的电流分配。

正向导通时，由于MOSFET没有PN结引起的固有正向压降，沟道中的导通损耗仅考虑导通电阻的计算；需要根据电路拓扑，开关模式和工作条件计算通用占空比：

死区时间内，半桥电流中上下MOSFET的沟道均关闭，因此任何负电流只会流过体二极管（即KiMOSFET=0, Kibodydiode=1）。

5.2 开关损耗

开关损耗包括MOSFET的开通和关断损耗，以及体二极管的反向恢复损耗：

6. 可靠性

6.1 栅氧化层

SiC 功率器件的栅氧化层位于栅极与沟道之间，通常由二氧化硅（SiO₂） 或氮氧化硅（SiON） 构成，其核心作用包括电绝缘隔离，形成沟道和耐高压特性，其性能直接决定功率模块器件的可靠性和寿命。

SiC栅极氧化层比Si结构更加敏感，意味着对栅极电压最大值的限制更为严格；栅极电压必须保持在数据手册规定的范围内，否则可能发生长期偏移或者损坏。

应该尽量缩短栅极电缆和PCB走线，尽可能使用双绞线和重叠接地层，以最小化栅极电感，从而减少栅极电压的过冲和下冲，这有助于确保器件的阈值不会随时间偏移。如果VGth向上漂移，芯片的RDSon也会增加，从而导致导通损耗上升，动态特性也可能改变。

6.2 功率循环

功率循环失效是一种寿命终止（EOL）失效。当封装内的半导体芯片通过电流加载，并且因电流流动产生的损耗而发热时，就会发生功率循环；在加热阶段，封装内部会产生温度梯度；关闭电流后，芯片冷却，温度梯度消失。这种温度的上下变化，加上所用材料不同的热膨胀系数，会对材料之间的互连造成应力，进而导致半导体封装的磨损。

功率循环的寿命模型方程采用阿伦尼乌斯项和科芬 - 曼森定律，以及时间相关性和芯片厚度，如下图所示。

SiC是一种比Si坚硬很多的材料，其杨氏模量约为Si的三倍。Si器件的尺寸往往小于同等额定值的IGBT芯片，更小的几何形状会导致器件角落的应变更高。与Si器件相比，SiC器件通常有显著更低的损耗，并且在相同负载曲线下可实现更低的温度波动。

6.3 湿度

SiC芯片的结构和Si器件没有根本区别，其失效模式也比较类似。湿度和冷凝对电力电子系统的影响需要作为可靠性分析的一部分，湿度和冷凝是影响电力电子系统可靠性的重要因素。了解湿度和冷凝的基本原理、影响和缓解措施，可以在电力电子系统的设计、安装、调试、运行和维护过程中采取相应的措施，提高系统的可靠性和使用寿命。同时，应根据具体的应用环境和需求，选择合适的缓解措施，确保系统在各种环境条件下都能可靠运行。

6.4 宇宙辐射

当次级宇宙粒子到达地球表面时，它们会与地面上的致密物质相互作用。对于电力电子器件而言，这意味着在其阻断区域存在一定概率被这样的粒子击中，如下图所示。如果被击中，粒子最终会在几微米的距离内通过产生电子 - 空穴对（即电荷载流子），在器件中沉积其通常为几十到几百兆电子伏特（100 兆电子伏特≈16 皮焦耳）的能量。电压降会出现在等离子体边缘明显的场尖峰处。这些场尖峰可能会超过半导体的临界场强，从而通过碰撞电离产生更多电荷载流子，进而扩大等离子体区域，在这个自持过程中，会形成一种所谓的流光，使器件局部短路。这一切都发生在不到一纳秒的时间内；随后，电荷载流子立即开始径向扩散。如果这个过程与局部短路的发热速率相比足够快，短路区域会恢复到阻断状态。然而，如果扩散过程太慢，材料中就会沉积足够的能量，使半导体局部熔化，器件永久性地失去阻断能力。在实际应用中，这会导致芯片永久性损坏，如果没有足够快速的短路保护，还会引发爆炸，掩盖故障的根本原因。当高能粒子在半导体阻断时与其相互作用，会发生宇宙射线失效。这会导致芯片内部电场局部扰动，可能导致局部击穿和失效。

宇宙射线故障率的产生主要取决于三个参数：电压，温度和海拔高度。尽管Si和SiC芯片都容易受到这种失效模式影响，但SiC芯片比Si具有优势：SiC芯片往往比等效Si芯片面积小得多，更小的面积意味着粒子穿过芯片的概率更低，因此宇宙射线失效率更低。

7. DCM™ 1000和DCM™ 1000X

功率模块技术平台

7.1 DCM™ 1000功率模块技术平台

DCM™1000 功率模块是指基于DCM™的一种封装尺寸，其占地面积可以容纳1000平方毫米的半导体，其适用于 750V 硅基半导体和SiC MOSFET全系列应用场景，兼容不同半导体技术路线，方便客户根据需求，成本等选择器件。如下图所示，在该功率模块技术平台中，可以按照5类不同的可调整设计与工艺要素，支持客户对功率模块的定制与灵活扩展。

• 基础硬件和结构：基板层面材料同时支持Cu（铜）和Al（铝），支持冷却方式定制，比如优化流道，适配风冷和水冷等；几何尺寸方面模块整体几何尺寸可以调整，适配系统安装空间，引线框架材料可选，起到平衡成本与性能的目的；

  
  

• 电气与功率设计：半导体数量可以通过并联实现增减，灵活扩展功率模块功率等级，同时兼容不同供应商的Si-IGBT和SiC MOSFET芯片；电气电路连接支持拓扑优化，比如半桥和全桥等，通过调整芯片与基板和引脚的键合方式，可以实现电气性能的优化；

  
  

•  端子与互联：可选压接(方便自动化装配)或者焊针（适配传统焊接工艺）的方式进行端子连接；同时端子镀层可以通过镀银提升导电性，镀镍增强耐候性，达到优化导线性能和抗腐蚀性能的目标；

  
  

• 芯片与封装定制：模块可以适配不同功率密度需求，同时通过调整芯片上表面连接方式，可以优化寄生参数；

  
  

• 热管理和绝缘：通过调整热缓冲层厚度，可以优化热扩散效率；选择不同的陶瓷基板，可以平衡绝缘性，导热性和成本。

该功率模块技术平台的关键参数包括：阻断电压支持750V和1200V，可以适配不同电压等级的电机控制器应用；额定电流可以达到350~700Arms，这种功率输出可以满足中高功率的应用；其母线端子可以根据客户需求进行定制，满足客户多样化定制化电气连接和集成需求；半导体芯片支持多种半导体器件，强调平台兼容性，特别是同样也适配SiC器件；通过DCM功率模块技术平台，可以实现模块杂散电感小于5nH，系统环流回路杂散电感小于8nH。

7.2 DCM™ 1000X功率模块技术平台

在前面内容中提到过，DCM™1000可以为不同输出功率的牵引逆变器使用外部尺寸相同的功率模块，而无需重新设计冷却器等机械部件，这一特性适用于DCM™1000（750V）和 DCM™1000X（1200V）两种型号，后缀“X”代表其更大的电气间隙和爬电距离；而 DCM™1000X 则适用于 1200V 半导体（包括硅基和碳化硅基）。

结合DCM™ 1000X功率模块进行双脉冲测试，可以得出该功率模块无需外外接肖特基二极管和栅极电容，模块内部集成度高，可以简化系统设计，适配高频紧凑场景；可以通过独立栅极电阻调整开关速度，需要高频和低损耗是，可以减小栅极电阻，加快开关，需要抑制EMI电磁干扰时，可以增大栅极电阻，放缓开关速度，灵活适配不同系统对效率和EMI的平衡需求；多芯片并联应用时，寄生参数会引发高频振荡，导致电压电流尖峰，该模块平台可以完全抑制芯片间交叉振荡(>200MHz高频场景)；支持在850V高压和175℃结温下切换2倍额定电流。

8. 总结

新能源汽车的核心动力为电驱动系统，电驱动系统的核心功率部件为功率模块，在功率模块芯片半导体技术转向第三代款禁带半导体的同事，功率模块的封装技术也在不断地革新迭代。在IGBT时代，HPD封装技术凭借易于集成，具有较高兼容性与灵活配置的优点，在400V IGBT车型上大展拳脚，同时，各个主机厂为了配置产品平台迭代，800V SiC车型的功率模块选型，在一开始也同样会选择HPD封装，方便产品尽快落地验证；随着电驱动性能不断的各种“卷”性能，包括卷效率，卷功率密度，卷杂散电感，卷价格等，为了更好地发挥SiC器件的高频开关特性，降低开关损耗和电压尖峰，各个主机厂开展了从整车-电机控制器-功率模块的联动设计，目的是采用杂散电感较低的封装技术，实现更高的系统杂散电感优化，进而可以提升整车续航能力。本文通过对行业内较早的可以限制降低杂散电感的DCM功率模块进行解析，使得相关从业者了解该功率平台相关技术，从而为各个车型自主设计低杂散电感的功率模块提供一些技术参考。后续本公众号将选取行业内常用的一款SiC功率模块数据手册，对SiC功率模组的各个技术参数进行解析，方便各位在使用SiC功率模组时高效选型和应用，感谢各位持续关注。