提高功率器件輸出密度的方法

“功率器件”是指逆變器、轉(zhuǎn)換器等電力轉(zhuǎn)換設(shè)備以及安裝在其中的半導(dǎo)體元件。按功能劃分，有功率晶體管（MOSFET、IGBT等）、二極管、晶閘管、雙向可控硅等半導(dǎo)體元件；按形式劃分，有半導(dǎo)體元件（分立）和功率模塊（在一個(gè)封裝中包含多個(gè)半導(dǎo)體元件的設(shè)備） ).有智能功率模塊(IPM：將控制電路、驅(qū)動(dòng)電路、保護(hù)電路等和半導(dǎo)體元件模塊化的裝置)。

始終需要提高功率密度

功率器件自古以來就被要求提高輸出密度（單位體積的輸出功率）。1980年左右，每1cc（1cm 3 ）的輸出僅為0.1W。20世紀(jì)90年代中期，增加到1W，大約10倍，2010年代，進(jìn)一步增加10倍，達(dá)到10W。

基本上只有三種方法可以提高功率密度。一是提高輸出電流，二是提高開關(guān)頻率，三是縮小散熱器（散熱元件）的尺寸。所有這些技術(shù)只會(huì)增加工作溫度并縮短設(shè)備壽命。因此，需要某種對(duì)策。

“車載功率器件”中提高功率器件輸出密度的問題和對(duì)策的圖

提高功率器件輸出密度的挑戰(zhàn)。更高的輸出電流、更高的開關(guān)頻率和更小的散熱器都會(huì)導(dǎo)致更高的工作溫度

大幅降低器件損耗的寬禁帶半導(dǎo)體

作為抑制伴隨輸出電流上升的損耗增加的方法，低損耗材料的使用備受期待。具體來說，半導(dǎo)體器件的材料將從目前主流的硅（Si）變?yōu)槟軒侗萐i更寬的材料（“寬帶隙”半導(dǎo)體材料）。

用于功率器件的寬禁帶半導(dǎo)體材料的候選材料包括碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）。SiC器件已在汽車、鐵路車輛等領(lǐng)域投入實(shí)用。

主要半導(dǎo)體材料的物理和電學(xué)特性，帶隙比Si更寬的材料具有明顯更高的介電擊穿場強(qiáng)

寬禁帶半導(dǎo)體的介電擊穿場強(qiáng)大約比 Si 高 10 倍。結(jié)果，維持晶體管擊穿電壓的漂移層（該層的電阻率不是很低）可以做得大約十分之一薄。結(jié)果，減少了晶體管的傳導(dǎo)損耗和開關(guān)損耗。

例如，與使用Si IGBT和二極管的功率模塊相比，使用SiC MOSFET和二極管的功率模塊可以顯著降低約30%的功率損耗（減少70%）。

Si功率模塊和SiC功率模塊的功率損耗

通過改進(jìn)散熱結(jié)構(gòu)降低熱阻

下面我們以逆變電源模塊的散熱結(jié)構(gòu)為例，說明一下散熱技術(shù)的改進(jìn)趨勢(shì)。此前，電源模塊（底部）通過油脂連接到金屬散熱器。又稱單面冷卻結(jié)構(gòu)（單面散熱結(jié)構(gòu)）。其次，引入了雙面冷卻（雙面散熱）結(jié)構(gòu)，通過油脂將散熱器連接到功率模塊的正面和底部，降低熱阻。

此外，還開發(fā)了一種無需潤滑脂即可直接連接散熱器和模塊（一側(cè)）的結(jié)構(gòu)（直接冷卻結(jié)構(gòu)）。這就導(dǎo)致了模塊兩側(cè)均采用直接連接的散熱結(jié)構(gòu)（直接雙面冷卻結(jié)構(gòu)）的出現(xiàn)。

逆變器功率模塊散熱結(jié)構(gòu)的改進(jìn)趨勢(shì)

通往更高工作溫度的途徑

最后一項(xiàng)措施是讓工作溫度升高。與硅相比，寬禁帶半導(dǎo)體更耐高溫運(yùn)行。Si器件的工作溫度（結(jié)溫）上限約為125°C至150°C。曾經(jīng)，寬禁帶器件被認(rèn)為可以在 250°C 至 300°C 的溫度下工作。然而，由于損耗增加以及需要無源元件應(yīng)對(duì)高溫等問題，實(shí)際應(yīng)用尚未取得進(jìn)展。事實(shí)上，目前的目標(biāo)是175℃至200℃。

功率半導(dǎo)體結(jié)溫的轉(zhuǎn)變和預(yù)測（1980-2030）

來源：半導(dǎo)體芯聞

審核編輯：湯梓紅