東芝開發出可減輕SiC功率模組中並聯晶片間寄生振盪的技術，該技術具有最小閘極電阻，可支援高速切換

2024年7月26日

東芝電子元件及儲存裝置株式會社
東芝公司

東芝電子元件及儲存裝置株式會社和東芝公司（東芝集團）開發出了一種全新技術，即使在閘極電阻[3][4]比典型值小60%的情況下，也可以減輕碳化矽（ SiC ）MOSFET [2]的功率模組中並聯晶片在開關操作期間所發生的寄生振盪[1] 。該技術降低了功率模組的功耗，減輕了振盪，實現了高度可靠的開關操作。

推動實現碳中和的過程，在很大程度上刺激了眾多產業領域（包括再生能源、鐵路和工業設備）不斷提升對於可提高能源效率的技術要求。在這些產業領域，圍繞SiC MOSFET為核心所建構的功率模組應用需要將成為支援高電壓和大電流高速開關的解決方案，這對於功率轉換器的小型化尤為重要，因為開關頻率越高，將會導致較高的開關功率損耗率。

在功率模組中並聯多個晶片會形成振盪電路，這是晶片之間的接線電感[5]及其寄生電容[6]所產生的結果。如果不加以應對，會降低模組的可靠性，而通常的應對方法是增加閘極電阻。但是這種方法會減緩開關速度，導致了需要考慮與開關損耗的權衡性。對於SiC MOSFET的功率模組執行高速切換，則需要採用另一種方法。

東芝集團使用功率模組的等效電路模型（圖1）來確定觸發寄生振盪的理論條件，然後開發了一個不太可能導致寄生振盪的佈線佈局。其具體方法是分析當Lg/Ls（並聯晶片的閘極到閘極電感Lg和源極到源極電感Ls的比率）低於某個值時所產生的模擬寄生振盪（圖2）。由於增加Lg/Ls是減輕寄生振盪的有效手段，東芝集團製造了具有不同Lg/Ls的原型模組，並且測量了開關速度。經證實，即使所使用的閘極電阻比另一種增加閘極電阻的方法所要求的減小了60%，增加Lg/Ls確實可以減輕振盪（圖3）。

對於目前正在開發的功率模組，使用這種方法來抑制其中的振盪，即使使用最小的閘極電阻也不太可能引起寄生振盪，該方法在抑制振盪的同時實現了低功耗，並且提供了高度可靠的切換操作。東芝集團將繼續改進模組，以儘早推出產品。東芝集團於2024年6月2日至6日在德國不來梅舉行的第36屆國際功率半導體裝置和IC研討會（ISPSD）上詳細介紹了這項技術。

[ 1]寄生振盪：MOSFET切換過程中發生的閘極電壓振盪。多個MOSFET並聯使用時，發生這種情況的可能性較大。
[2]MOSFET ：金屬氧化物半導體場效電晶體，它是具有三個電極（閘極、汲極和源極）的開關元件，透過施加閘極電壓來開啟和關斷汲極和源極之間的電流。
[3]相比於傳統的東芝產品。
[4]閘極電阻：MOSFET閘極中的電阻，作用是在施加閘極電壓時限制電流流動。該值是決定裝置切換特性和訊號上升時間的重要因素。
[5]接線電感：導體固有的工作特性：對於電流變化的抵抗力。這是由於所感應的電動勢（電壓）與導體周圍磁場所所引起的電流變化是相反的。
[6]寄生電容：電子電路中的元件或配線之間所不期望的電容。它可以像電容器一樣儲存電荷，從而影響電路的運作。在高速電路中，它會導致訊號延遲和失真。

Figure 1. Model equivalent circuit of two MOSFETs connected in parallel
圖1．並聯兩個MOSFET的模型等效電路
Figure 2. Simulation of oscillation in two MOSFETs with zero gate resistance connected in parallel
圖2．並聯的兩個零閘極電阻MOSFET中的類比振盪
Module (a), at 100 A, Module (b), at 600 A, Module (c), at 600 A

V gs ：閘極源電壓， V ds ：汲極電壓，I d ：汲極電流

Figure 3. Switching waveforms and switching losses of the prototype modules (Source: Toshiba Group tests)
圖3．原型模組的開關波形和切換損耗（來源：東芝集團測試）

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