东芝开发出用于数据中心电源系统高频逆变器的碳化硅SiC功率模块技术

2026年6月12日

东芝电子元件及存储装置株式会社

日本川崎—东芝电子元件及存储装置株式会社（“东芝”）现已开发出可满足高频逆变器应用需求的碳化硅（SiC）电源模块技术，可实现功率损耗更低、可靠性更高的高频逆变器。该技术将内嵌肖特基势垒二极管（SBD）^[1]的东芝专有碳化硅MOSFET^[2]与经过优化的模块设计相结合，可在高速开关过程中实现高度可靠的低损耗运行。仿真结果表明，与使用内嵌SBD的传统碳化硅MOSFET结构^[3]的模块相比，当高频逆变器在60kHz频率下运行时，逆变器的总功率损耗大约可降低30%。

人工智能的广泛应用以及数据中心的日益复杂化，正迅速增大电力消耗。这类应用的配套电源系统必须具备更高的效率和功率密度，这使得高频率运行的功率半导体的重要性日益凸显。对于必须满足效率和尺寸要求的逆变器和不间断电源（UPS）等电力设备而言，这一趋势尤为明显。在此背景下，1200V级别的SiC电源模块有望在下一代电源系统中发挥核心作用，但这需要进一步改进芯片和模块设计。

东芝现已开发出内嵌SBD的SiC MOSFET，解决了二极管导电过程中与碳化硅材料特性相关的可靠性挑战。然而，传统的器件结构^[3]限制了通道和SBD区域的布局，导致难以在低导通电阻^[4]和二极管可靠性之间取得平衡。此外，减小电源模块的芯片总面积虽能提高开关速度，但也会产生一些互商性问题，包括导通电阻增大、二极管可靠性降低以及散热性能下降。

新开发的内嵌SBD的SiC MOSFET结构将具有棋盘格图案的SBD布局与深P型势垒区^[5]相结合（图1）。利用深P型势垒区的电场抑制^[6]效应所实现的更高设计灵活性，可以对通道^[7]、漂移层^[8]、结型场效应晶体管（JFET）^[9]区域以及栅极驱动条件等多个设计参数进行综合优化。因此，该器件抑制了局部电流集中，改善了流经通道和漂移层的电流，并且在导通状态和二极管工作状态下均能实现稳定的电流工作，从而改善了导通电阻与二极管可靠性之间的互商性。在25℃和150℃温度条件下，该器件的比导通电阻分别为1.8mΩ·cm²和2.7mΩ·cm²，与典型器件结构^[3]相比降低了约50%，单位面积的SBD电流传导能力^[10]提高了约40%。

所开发的器件已应用于1200V级别的SiC 电源模块（图2）。与传统结构^[3]相比，模块内的芯片总面积减小了约36%。同时，通过降低导通电阻和提高可靠性，提高了芯片性能，在保持二极管可靠性的同时，降低了模块级导通损耗^[11]。此外，通过改进封装结构和设计（包括采用树脂绝缘衬底），东芝将单位面积的热阻降低了约25%。这不仅改善了热扩散，而且即使在因芯片总面积减小而导致热密度增加的情况下，也能保持良好的散热性能。

这些改进证实了开关损耗^[12]进一步降低（图3）。仿真结果表明，在60kHz高频运行条件下，逆变器的总功率损耗大约可降低30%（图4）。通过优化开关条件（包括栅极驱动速度），预计开关损耗将进一步降低。结果表明，可在高频功率转换领域实现显著的性能提升。

T该技术有望成为提高功率转换系统（包括数据中心UPS、工业设备以及可再生能源应用）效率和减小体积的关键平台。东芝将持续推进该技术的开发，以实现实际应用和量产，同时进一步提升高频运行能力和性能，从而提高电源系统的能效，为建设可持续发展的社会做出贡献。

东芝于2026年6月9日至11日在德国纽伦堡举办的2026年度国际电力电子系统及功率元器件展览会（PCIM）上向参展者和观众介绍了该技术的详情。