第1讲：三菱电机功率器件发展史
三菱电机从事功率半导体开发和生产已有六十多年的历史，从早期的二极管、晶闸管，到MOSFET、IGBT和SiC器件，三菱电机一直致力于功率半导体芯片技术和封装技术的研究探索，本篇章带你了解三菱电机功率器件发展史。
半导体器件是当今迅速发展的各类电力电子设备不可或缺的组成部分，是促进科技发展、社会进步的重要力量。作为诸多领域技术的创新者，三菱电机在半导体领域扮演着重要的角色。优良的技术、现代化的制造工艺和充足的产能是三菱电机成功的关键。三菱电机功率器件发展史如下图1所示。
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。
IGBT
三菱电机IGBT芯片发展史如图2所示，第4代IGBT芯片结构从平面栅结构发展为沟槽栅结构。第5代IGBT芯片在沟槽栅IGBT的基础上增加了电荷存储层，也即CSTBT™结构，改善了关断损耗和集电极发射极饱和压降的折衷关系，降低功率损耗。在此基础上，第6代和第7代IGBT芯片不断优化芯片结构，减薄晶圆厚度，损耗得到进一步的降低。
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3：7th IGBT新型结构
图4：工业LV100封装IGBT
IPM
三菱电机于1989年创造性地提出了智能功率模块IPM（Intelligent Power Module）的概念。如图5所示，逆变电路、驱动电路和保护电路一体化的解决方案大大减少了系统的体积、成本和开发时间。
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。
图6：G1系列IPM
HVIGBT
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7：标准封装HVIGBT
图8：LV100/HV100封装HVIGBT
DIPIPM™
1997年，三菱电机开发了压注模封装智能功率模块DIPIPM™，如图9和图10所示，内置驱动芯片，不但可以实现单电源驱动，而且集成了欠压、过温、过流等保护功能，降低了变流器的设计难度，同时提高了变流器的可靠性。
图9：DIPIPM™框图
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。
EV模块
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
SiC模块
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。
图12：Unifull™ 3300V SiC MOSFET模块
关于三菱电机
三菱电机创立于1921年，是全球知名的综合性企业。截至2024年3月31日的财年，集团营收52579亿日元（约合美元348亿）。作为一家技术主导型企业，三菱电机拥有多项专利技术，并凭借强大的技术实力和良好的企业信誉在全球的电力设备、通信设备、工业自动化、电子元器件、家电等市场占据重要地位。尤其在电子元器件市场，三菱电机从事开发和生产半导体已有68年。其半导体产品更是在变频家电、轨道牵引、工业与新能源、电动汽车、模拟/数字通讯以及有线/无线通讯等领域得到了广泛的应用。
