提高功率器件輸出密度的方法

“功率器件”是指逆變器、轉換器等電力轉換設備以及安裝在其中的半導體元件。按功能劃分，有功率晶體管（MOSFET、IGBT等）、二極管、晶閘管、雙向可控硅等半導體元件；按形式劃分，有半導體元件（分立）和功率模塊（在一個封裝中包含多個半導體元件的設備） ).有智能功率模塊(IPM：將控制電路、驅動電路、保護電路等和半導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90年代中期，增加到1W，大約10倍，2010年代，進一步增加10倍，達到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，二是提高開關頻率，三是縮小散熱器（散熱元件）的尺寸。所有這些技術只會增加工作溫度并縮短設備壽命。因此，需要某種對策。

“車載功率器件”中提高功率器件輸出密度的問題和對策的圖

提高功率器件輸出密度的挑戰。更高的輸出電流、更高的開關頻率和更小的散熱器都會導致更高的工作溫度

大幅降低器件損耗的寬禁帶半導體

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，半導體器件的材料將從目前主流的硅（Si）變為能帶隙比Si更寬的材料（“寬帶隙”半導體材料）。

用于功率器件的寬禁帶半導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、鐵路車輛等領域投入實用。

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

寬禁帶半導體的介電擊穿場強大約比 Si 高 10 倍。結果，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。結果，減少了晶體管的傳導損耗和開關損耗。

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

通過改進散熱結構降低熱阻

下面我們以逆變電源模塊的散熱結構為例，說明一下散熱技術的改進趨勢。此前，電源模塊（底部）通過油脂連接到金屬散熱器。又稱單面冷卻結構（單面散熱結構）。其次，引入了雙面冷卻（雙面散熱）結構，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，還開發了一種無需潤滑脂即可直接連接散熱器和模塊（一側）的結構（直接冷卻結構）。這就導致了模塊兩側均采用直接連接的散熱結構（直接雙面冷卻結構）的出現。

逆變器功率模塊散熱結構的改進趨勢

通往更高工作溫度的途徑

最后一項措施是讓工作溫度升高。與硅相比，寬禁帶半導體更耐高溫運行。Si器件的工作溫度（結溫）上限約為125°C至150°C。曾經，寬禁帶器件被認為可以在 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對高溫等問題，實際應用尚未取得進展。事實上，目前的目標是175℃至200℃。

功率半導體結溫的轉變和預測（1980-2030）

來源：半導體芯聞

審核編輯：湯梓紅