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东芝的新型SiC MOSFET具有低导通电阻,显著降低了开关损耗

2022年7月22日

东芝电子元件及存储装置株式会社

川崎——东芝电子元件及存储装置株式会社(简称“东芝”)现已开发出具有低导通电阻、开关损耗大幅降低的碳化硅(SiC)MOSFET[1],与第二代SiC MOSFET相比,新型产品的开关损耗约降低了20%。

功率器件是管理和降低各种电子设备的能耗以及实现碳中和社会的重要元器件。而SiC相较于有机硅可进一步提高电压并降低损耗,因此业界普遍认为碳化硅将成为新一代的功率器件材料。虽然碳化硅材质的功率器件目前主要用于列车逆变器,但其今后的应用领域非常广泛,例如车辆电气化和工业设备小型化。然而,可靠性问题却阻碍了碳化硅器件的采用和市场增长。

东芝通过在第二代产品的SiC MOSFET内部与PN二极管并联内置了一个肖特基势垒二极管(SBD)的结构成功解决了可靠性问题。但这又产生了一个新问题,当MOSFET包含不作为MOSFET工作的SBD单元时,MOSFET的性能会下降。具体而言,单位面积的导通电阻(RonA)以及代表导通电阻和高速的性能指标(Ron*Qgd)都会增大。芯片面积增大以降低导通电阻(Ron),这又带来了进一步的问题——单位成本提高。

东芝目前研发的器件结构既能减小RonA,又能包含SBD。目前,通过在SiC MOSFET的p型宽扩散区(p阱)底部注入氮气,可减小扩散电阻(Rspread[2]并增大SBD电流。东芝还通过减小JFET[3]区和注入氮气,减小了反馈电容和JFET电阻。因此,在未增大RonA的情况下减小了反馈电容。东芝已完成原型设计并证实,相较于第二代产品,这种器件结构的RonA降低了43%[4],Ron*Qgd降低了80%[5],(因导通和关断产生的)开关损耗约降低了20%[6]。通过SBD的位置优化还确保了稳定运行,不会出现RonA波动。

5月12日在德国纽伦堡举办的线上2022年度国际电力电子系统及元器件展览会(PCIM Europe 2022)报道了该成果的详细信息。东芝计划自今年8月下旬开始量产利采用新技术的第三代SiC MOSFET。

[1]MOSFET:金属氧化物半导体场效应晶体管
[2]扩展电阻:p阱底部的扩散电阻。
[3]JFET:结型场效应管
[4]对比1.2kV新型SiC MOSFET与RonA设为1的第二代SiC MOSFET。(东芝的测试结果)
[5]对比1.2kV新型SiC MOSFET与Ron*Qgd设为1的第二代SiC MOSFET。(东芝的测试结果)
[6]对比1.2kV新型SiC MOSFET与第二代SiC MOSFET。(东芝的测试结果)

东芝新型SiC MOSFET的结构

东芝新型SiC MOSFET的结构

RonA和Ron*Qgd降低(东芝的测试结果)

(a)	当第二代SiC MOSFET的R<sub>on</sub>A设为1时,对比1.2kV新型碳SiC MOSFET与其他公司的最新型碳SiC MOSFET的RonA。
(a) 当第二代SiC MOSFET的RonA设为1时,对比1.2kV新型碳SiC MOSFET与其他公司的最新型碳SiC MOSFET的RonA。
(b)	当第二代SiC MOSFET的R<sub>on</sub>*Q<sub>gd</sub>设为1时,对比1.2kV新型SiC MOSFET与其他公司的最新型SiC MOSFET的R<sub>on</sub>*Q<sub>gd</sub>。
(b) 当第二代SiC MOSFET的Ron*Qgd设为1时,对比1.2kV新型SiC MOSFET与其他公司的最新型SiC MOSFET的Ron*Qgd

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