为了实现 xEV（电动汽车）的广泛应用，延长行驶里程和降低电池成本是关键。为此，减少功率损耗并缩小逆变器中电源模块的尺寸是至关重要的。自1997年以来，三菱电机一直通过电源模块为 xEV 的开发做出贡献。1997年推出的IPM（智能功率模块）集成了控制电路，而2001年，三菱电机则开发出了以紧凑尺寸和高可靠性为特点的T-PM（传递模塑电源模块）。

传统上，硅（Si）一直是功率模块的半导体材料，但由于碳化硅（SiC）能够显著降低能量损耗，近年来SiC引起了广泛关注。三菱电机自20世纪90年代以来便开始了SiC技术的研发，并将其应用于铁路、消费电子和汽车等多个领域。目前，该公司正在重点开发具有沟槽型结构的SiC器件，以进一步发挥其优势。为了最大化SiC技术的潜力，确保低电感以减少浪涌、低热阻以适应高温操作以及确保高可靠性的技术非常关键。

新电源模块系列特点

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。除模块外，三菱电机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。当前，铜和铝材料正在被探索用于冷却器的设计。

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，最大限度地减少逆变器功率损耗

• 高功率密度、低电感（在两并联规格中为5nH）

• 优异的散热结构

• 集成多功能芯片，包括温度传感器、平衡电阻和DESAT二极管，简化客户电路设计

• 高速短路保护

所需技术

通过封装小型化来实现高功率密度，并限度地减少杂散电感（Ls），这一过程面临着多项挑战。在芯片方面，开发低RDS(on)器件结构以减少热量生成并增强SiC性能至关重要。而在封装方面，低热阻是关键，这要求采用高导热率的接合材料和散热片来提高散热效果。

虽然SiC芯片的成本较高，但有效的散热面积分配也至关重要。通常需要外部安装电流和温度传感功能进行保护，但合并这些检测功能（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，提高短路承受能力也成为一个挑战，这可能需要增加芯片体积，从而推高成本并增加封装尺寸，进而增加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（包括更低的开关损耗、更高的工作温度和更低的导通电阻）而受到广泛关注。三菱电机自90年代起便开始研发SiC功率器件，并于2010年推出了用于电气化铁路的第一代SiC功率MOSFET。到2013年，第二代器件进入量产，并优化了单元尺寸和载流子注入机制。目前，三菱电机正在开发一种新型的沟槽栅极结构SiC-MOSFET（图2）。

这种新结构可以通过高集成度来缩小单元尺寸，并实现低损耗运行。然而，沟槽结构带来了一些挑战，如沟槽底部的电场集中可能导致器件击穿。为了解决这些问题，三菱电机在新型SiC器件中引入了底部P阱（BPW），以减轻场集中，并通过侧壁连接（SC）和JFET掺杂（JD）技术提高电势稳定性和电流路径效率，从而将导通电阻降低了50%。

散热技术

降低热阻是实现小型化和高功率密度的关键。在早期的设计中，采用了厚铜散热器与高导热绝缘片的组合。虽然这种设计有效，但在冷却性能上仍存在一些不足，并且需要确保散热器的安全固定。

在新设计中（图3），模块内的绝缘片被替换为高导热绝缘体，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，采用焊料代替润滑脂，大幅提升了散热效果，且不再需要弹簧和固定板。三菱电机还在开发采用新铝针翅设计的铜和铝冷却器，预计导热率提高超过30%。

周边功能整合

由于SiC芯片的成本较高，因此在芯片内部集成温度传感器和平衡电阻等功能面临着挑战。为此，三菱电机开发了一种新型的硅芯片，能够集成这些功能，从而减少对外部组件的需求，并实现更高的散热效率。通过这种方法，封装尺寸减少了16%，杂散电感（Ls）减少了20%，从而显著简化了电路设计。

短路保护

SiC的低开关损耗和高性能使得短路保护成为一个挑战。由于SiC的饱和电流较大，增加芯片尺寸可以提高短路承受能力，但也会推高成本。为此，三菱电机推出了新的短路保护系统（SCM端子系统），该系统能够有效减少短路能量，并激活DESAT保护，比传统方法大幅减少了短路能量。

输出电流

采用新型SiC模块后，逆变器的损耗显著降低。在175°C的工作温度和800V的主电池电压下，模块的双并联配置可实现超过500Arms的输出电流，输出功率超过250kW。而单个模块配置下，可以实现250Arms的输出电流，覆盖从50kW到250kW的宽输出范围。