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東芝的新型SiC MOSFET具有低導通電阻,顯著降低了開關損耗

2022年7月22日

東芝電子元件及儲存裝置株式會社

川崎——東芝電子元件及存儲裝置株式會社(簡稱“東芝”)現已開發出具有低導通電阻、開關損耗大幅降低的碳化矽(SiC) MOSFET[1],與第二代SiC MOSFET相比,新型產品的開關損耗約降低了20%。

功率器件是管理和降低各種電子設備的能耗以及實現碳中和社會的重要元器件。 而SiC相較於有機矽可進一步提高電壓並降低損耗,因此業界普遍認為碳化矽將成為新一代的功率器件材料。 雖然碳化矽材質的功率器件目前主要用於列車逆變器,但其今後的應用領域非常廣泛,例如車輛電氣化和工業設備小型化。 然而,可靠性問題卻阻礙了碳化矽元件的使用和市場成長。

東芝通過在第二代產品的SiC MOSFET內部與PN二極體並聯內置了一個肖特基二極體(SBD)的結構成功解決了可靠性問題。 但這又產生了一個新問題,當MOSFET包含不運作MOSFET工作的SBD單元時,MOSFET的性能會下降。 具體而言,單位面積的導通電阻(RonA)以及代表導通電阻和高速的性能指標(Ron*Q gd)都會增大。 晶元面積增大以降低導通電阻(Ron),這又帶來了進一步的問題——單位成本提高。

東芝目前研發的器件結構既能減小RonA,又能包含SBD。 目前,通過在SiC MOSFET的p型寬擴散區(p-well)底部注入氮氣,可減小擴散電阻(Rspread) [2]並增大SBD電流。 東芝還通過減小JFET[3]區和注入氮氣,減小了反饋電容和JFET電阻。 因此,在未增大RonA的情況下減小了反饋電容。 東芝已完成原型設計並證實,相較於第二代產品,這種器件結構的RonA降低了43%[4], Ron*Qgd降低了80%[5],(因導通和關斷產生的)開關損耗約降低了 20%[6]。 通過SBD的位置優化還確保了穩定運行,不會出現RonA波動。

5月12日在德國紐倫堡舉辦的線上2022年度國際電力電子系統及元器件展覽會(PCIM Europe 2022)報導了該成果的詳細資訊。 東芝計劃自今年8月下旬開始量產利採用新技術的第三代SiC MOSFET。

[1]MOSFET:金屬氧化物半導體場效應晶體體

[2]擴展電阻:p-well底部的擴散電阻。

[3] JFET:接面型場效應電晶體

[4]對比1.2kV新型SiC MOSFET與RonA設為1的第二代SiC MOSFET。 (東芝的測試結果)

[5]對比1.2kV新型SiC MOSFET與Ron*Qgd設為1的第二代SiC MOSFET。 (東芝的測試結果)

[6]對比1.2kV新型SiC MOSFET與第二代SiC MOSFET。 (東芝的測試結果)

東芝新型SiC MOSFET的結構

The structure of Toshiba’s new SiC MOSFET

RonA和Ron*Qgd降低(東芝的測試結果)

(a) Comparison of R<sub>on</sub>A between the new 1.2kV SiC MOSFETs and the latest generation of SiC MOSFETs of other companies when R<sub>on</sub>A of its second-generation SiC MOSFETs is taken as 1.
(a) 當第二代SiC MOSFET的RonA設為1時,對比1.2kV 新型SiC MOSFET與其他公司的最新型SiC MOSFET的RonA。
(b) Comparison of R<sub>on</sub>*Q<sub>gd</sub> between the new 1.2kV SiC MOSFETs and the latest generation of SiC MOSFETs of other companies when R<sub>on</sub>*Q<sub>gd</sub> of its second-generation SiC MOSFETs is taken as 1.
(b) 當第二代SiC MOSFET的Ron*Qgd設為1時,對比1.2kV 新型SiC MOSFET與其他公司的最新型SiC MOSFETRon*Qgd。

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