铁路牵引变流器作为轨道交通车辆动力系统的核心部件，正朝着高可靠性、高功率密度和高效率方向发展。目前IGBT仍是铁路牵引领域的主流功率半导体器件，但是SiC MOSFET模块的应用正在加速。本文重点介绍三菱电机SiC MOSFET模块的高功率密度和低损耗设计。
上一篇文章重点介绍三菱电机SiC MOSFET模块的可靠性设计，本章节在上一篇的基础上，将从高功率密度和高效率方面来进一步阐述三菱电机面向铁路牵引领域应用的SiC MOSFET模块。
高功率密度
铁路牵引行业常用的传统IGBT封装如图1所示，随着Si IGBT芯片技术的不断优化，我司在H系列的基础上，陆续开发了R系列和X系列，功率密度不断提升，如表1所示。
图1：用于铁路牵引的IGBT模块
表1：传统封装IGBT模块对比
为了进一步提升功率密度，三菱电机开发了LV100封装，如图2所示。采用LV100封装的Si IGBT模块和SiC MOSFET模块如表2所示。可见，LV100封装可以提升功率密度，如果装载SiC MOSFET，其功率密度会进一步提升，并且SiC MOSFET 175℃的最高工作结温使其输出电流能力大大提升。
图2：LV100封装功率模块
表2：LV100封装Si IGBT与SiC MOSFET对比
高效率
图3是我司Si IGBT模块（CM600DA-66X）和SiC MOSFET模块（FMF750DC-66A）在相同条件下(VCC=1800V, IC=600A, Tj=150°C, LS=65nH)的开通波形对比。从图中可以看出，SiC MOSFET漏源电压下降速度更快，且开通电流尖峰变小很多，这是因为SiC MOSFET模块内部采用的反并联SiC SBD是单极性器件（仅多数载流子参与导电），二极管关断时无少数载流子复合过程。
图3：Si IGBT开通波形（左）和SiC MOSFET开通波形（右）
图4是我司Si IGBT模块（CM600DA-66X）和SiC MOSFET模块（FMF750DC-66A）在相同条件下(VCC=1800V, IC=600A, Tj=150°C, LS=65nH)的关断波形对比。从图中可以看出，SiC MOSFET漏源电压上升速率更快，且漏极电流关断时没有拖尾现象，同样是因为SiC MOSFET是单极性器件，关断时无少数载流子复合过程。
图4：Si IGBT关断波形（左）和SiC MOSFET关断波形（右）
为进一步降低损耗并提升效率，我司开发了SBD嵌入式SiC MOSFET模块（FMF800DC-66BEW※1, FMF400DC-66BEW※1, FMF200DC-66BE）。如表3所示，在相同条件下(VCC=1800V, IC=600A, Tj=150°C)，SBD嵌入式SiC MOSFET模块的总开关损耗相对Si IGBT模块下降91.8%，相对上一代SiC MOSFET模块下降64.3%。从而提高了牵引变流器的效率，减少电力消耗。
表3： LV100封装Si IGBT与SiC MOSFET开关损耗对比
※1：属于日本《出口贸易管理令》表1第2(41)3项的产品
文章来源：三菱电机