第1讲：三菱电机功率器件发展史

图1：三菱电机功率器件发展史

20世纪60年代，三菱电机推出了大功率二极管和晶闸管产品。晶闸管在电力电子产品的现代化进程中发挥了重要作用，并不断朝着更高的耐压和更大的电流发展。20世纪80年代，晶闸管从没有自灭弧功能的逆阻晶闸管发展到自灭弧型GTO（Gate Turn Off）晶闸管，这种晶闸管即使在直流电路中也能通过向栅极施加负压信号，使其从开启状态变为关闭状态。此外，GCT（Gate Commutated Turn off）晶闸管继承了GTO晶闸管的基本结构，并显著降低了栅极的阻抗，实现了高速运行和高关断性能。SGCT（Symmetrical Gate Commutated Turn off）晶闸管单元是一种具有反向阻压能力的GCT晶闸管，通过集成经过优化设计的栅极驱动器，充分发挥GCT晶闸管的性能，同时有助于降低系统设计难度。

20世纪80年代，三菱电机开发了MOSFET（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）模块和IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）模块。MOSFET具有高速开关、电压型驱动和低损耗等优点，广泛应用于各类中小功率电力电子变换电路。IGBT集合了MOSFET的驱动功率小、开关速度快和BJT通态压降小、载流能力大的优点，成为现代电力电子技术的主要器件，在中大功率电源应用中占重要地位。

图2：IGBT芯片发展路线图

第7代IGBT模块结构如图3所示，采用了直接环氧灌封（Direct Potting）树脂和一体化绝缘金属基板IMB（Insulated Metal Baseplate），去掉了绝缘层和金属底板之间焊接层，大大提高了IGBT模块的热循环能力。在此基础上开发的工业LV100封装IGBT（图4），涵盖多个电压等级（已有1.2kV、1.7kV和2kV），具有更高电流密度、更高可靠性，适合光伏、风电、制氢电源及电机驱动等多个场合。

图5：IPM内部框图

最新G1系列IPM如图6，采用与第7代IGBT模块相同的IGBT芯片和二极管芯片技术，实现极低损耗。除了传统IPM的控制电源欠压保护UV（Under Voltage protection）、短路保护SC（Short Circuit）和过热保护OT（Over Temperature）外，G1系列还增加了开关速度切换和故障识别功能，有助于提高逆变器设备的性能和可靠性。

1996年，三菱电机HVIGBT开始推向市场，凭借其优异的性能和高可靠性，在铁路、电力传输等领域得到了广泛的应用。经过不断地优化改进，三菱电机陆续推出了H系列、R系列、X系列，电压范围涵盖1.7kV到6.5kV，IGBT电流等级不断扩大。

三菱电机最新X系列HVIGBT模块全系列最高运行结温至150℃，通过优化芯片终端设计和封装内部结构，增强散热性、防潮性和阻燃性，提高产品运行可靠性。共包含2类封装，标准封装HVIGBT如图7，LV100/HV100封装见图8。

图10：DIPIPM™外观

自第1代DIPIPM™诞生以来，伴随着IGBT芯片一代代技术的发展和封装技术的不断改进，三菱电机也对DIPIPM™产品不断进行升级换代，至今已发展至第7代DIPIPM™，封装形式也发展到小型、超小型、SLIMDIP™、SOPIPM™和DIPIPM+™，不断致力于为客户提供更高能效、更高集成度、更智能化、更高功率密度和更高性价比的产品。

1997年，三菱电机就将电动汽车专用功率模块成功用于HEV，积累了大批量生产和应用的经验，截至2023年底，已有2900万台装载了三菱电机功率芯片或功率模块的电动汽车在路上运行。从第5代开始，三菱电机采用T-PM（Transfer-mold Power Module）压注模封装技术，使用环氧树脂灌封代替传统硅凝胶灌封，提高了抗振性和模块安装方向的自由度。J1A系列IGBT模块采用了DLB（Direct Lead Bonding）连接工艺，把铜端子（铜框架）绑定到芯片上，使芯片温度分布更均匀，降低了最高温度，从而改善功率循环寿命。

最新J3系列车载功率模块，同样采用高可靠、易批量生产的压注模封装，同一封装兼容RC-IGBT和SiC MOSFET，支持高速开关和并联应用，将帮助客户进一步提升电动汽车的功率密度和续航里程。J3-HEXA-S有三个J3-T-PM，J3-HEXA-L有六个J3-T-PM（图11），两者都配备专有的散热片，以适应xEV逆变器的不同功率段设计。

图11：J3-T-PM、J3-HEXA-S、J3-HEXA-L

三菱电机从1994年开始SiC相关技术研究，已经拥有30年的经验。在1994年至2004年的第1个10年中，研发工作主要针对SiC MOSFET和SiC SBD等芯片技术本身。2005年至2009年，三菱电机将开发重点集中到了SiC功率模块的应用，为此，三菱电机设计并评测了多种应用场合的基于SiC功率器件的逆变器。2010年至2014年，SiC功率模块开始商业化，在此期间，三菱电机推出了多种类型的第1代全SiC功率模块和混合SiC功率模块。

目前，6英寸第2代平面栅SiC MOSFET稳定量产中，第3代SBD嵌入式SiC MOSFET和第4代沟槽栅SiC MOSFET将逐步被采用。从600V到3300V，数十款SiC功率模块已在家电、工业、新能源、汽车和牵引等领域获得商业化应用。新推出的3300V，200A/400A/800A Unifull™系列SiC MOSFET模块（图12）可显著降低开关损耗并提高其性能。