鐵路牽引變流器作為軌道交通車輛動力系統(tǒng)的核心部件，正朝著高可靠性、高功率密度和高效率方向發(fā)展。目前IGBT仍是鐵路牽引領(lǐng)域的主流功率半導(dǎo)體器件，但是SiC MOSFET模塊的應(yīng)用正在加速。本文重點介紹三菱電機SiC MOSFET模塊的高功率密度和低損耗設(shè)計。

上一篇文章重點介紹三菱電機SiC MOSFET模塊的可靠性設(shè)計，本章節(jié)在上一篇的基礎(chǔ)上，將從高功率密度和高效率方面來進一步闡述三菱電機面向鐵路牽引領(lǐng)域應(yīng)用的SiC MOSFET模塊。

1高功率密度

鐵路牽引行業(yè)常用的傳統(tǒng)IGBT封裝如圖1所示，隨著Si IGBT芯片技術(shù)的不斷優(yōu)化，我司在H系列的基礎(chǔ)上，陸續(xù)開發(fā)了R系列和X系列，功率密度不斷提升，如表1所示。

圖1：用于鐵路牽引的IGBT模塊

表1：傳統(tǒng)封裝IGBT模塊對比

為了進一步提升功率密度，三菱電機開發(fā)了LV100封裝，如圖2所示。采用LV100封裝的Si IGBT模塊和SiC MOSFET模塊如表2所示。可見，LV100封裝可以提升功率密度，如果裝載SiC MOSFET，其功率密度會進一步提升，并且SiC MOSFET 175℃的最高工作結(jié)溫使其輸出電流能力大大提升。

圖2：LV100封裝功率模塊

表2：LV100封裝Si IGBT與SiC MOSFET對比

2高效率

圖3是我司Si IGBT模塊（CM600DA-66X）和SiC MOSFET模塊（FMF750DC-66A）在相同條件下(VCC=1800V, IC=600A, Tj=150°C, LS=65nH)的開通波形對比。從圖中可以看出，SiC MOSFET漏源電壓下降速度更快，且開通電流尖峰變小很多，這是因為SiC MOSFET模塊內(nèi)部采用的反并聯(lián)SiC SBD是單極性器件（僅多數(shù)載流子參與導(dǎo)電），二極管關(guān)斷時無少數(shù)載流子復(fù)合過程。

圖3：Si IGBT開通波形（左）和SiC MOSFET開通波形（右）

圖4是我司Si IGBT模塊（CM600DA-66X）和SiC MOSFET模塊（FMF750DC-66A）在相同條件下(VCC=1800V, IC=600A, Tj=150°C, LS=65nH)的關(guān)斷波形對比。從圖中可以看出，SiC MOSFET漏源電壓上升速率更快，且漏極電流關(guān)斷時沒有拖尾現(xiàn)象，同樣是因為SiC MOSFET是單極性器件，關(guān)斷時無少數(shù)載流子復(fù)合過程。

圖4：Si IGBT關(guān)斷波形（左）和SiC MOSFET關(guān)斷波形（右）

為進一步降低損耗并提升效率，我司開發(fā)了SBD嵌入式SiC MOSFET模塊（FMF800DC-66BEW※1, FMF400DC-66BEW※1, FMF200DC-66BE）。如表3所示，在相同條件下(VCC=1800V, IC=600A, Tj=150°C)，SBD嵌入式SiC MOSFET模塊的總開關(guān)損耗相對Si IGBT模塊下降91.8%，相對上一代SiC MOSFET模塊下降64.3%。從而提高了牽引變流器的效率，減少電力消耗。

表3： LV100封裝Si IGBT與SiC MOSFET開關(guān)損耗對比

※1：屬于日本《出口貿(mào)易管理令》表1第2(41)3項的產(chǎn)品

正文完

<關(guān)于三菱電機>

三菱電機創(chuàng)立于1921年，是全球知名的綜合性企業(yè)。截止2025年3月31日的財年，集團營收55217億日元（約合美元368億）。作為一家技術(shù)主導(dǎo)型企業(yè)，三菱電機擁有多項專利技術(shù)，并憑借強大的技術(shù)實力和良好的企業(yè)信譽在全球的電力設(shè)備、通信設(shè)備、工業(yè)自動化、電子元器件、家電等市場占據(jù)重要地位。尤其在電子元器件市場，三菱電機從事開發(fā)和生產(chǎn)半導(dǎo)體已有69年。其半導(dǎo)體產(chǎn)品更是在變頻家電、軌道牽引、工業(yè)與新能源、電動汽車、模擬/數(shù)字通訊以及有線/無線通訊等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。