Toshiba開始提供具有低導通電阻和高可靠性、用於汽車牽引逆變器的裸片1200V SiC MOSFET的試樣

2024年11月12日

東芝電子元件及儲存裝置株式會社

Toshiba Starts Test-Sample Shipments of a Bare Die 1200V SiC MOSFET with Low On-Resistance and High Reliability, for Use in Automotive Traction Inverters

日本川崎-東芝電子元件及儲存裝置株式會社（「東芝」）開發了「X5M007E120」，這是一款用於汽車牽引逆變器[2]的裸片[1]1200V碳化矽(SiC) MOSFET，其採用的創新結構可以同時提供低導通電阻和高可靠性。供客戶評估的測試樣品現已出貨。

反向導通操作期間[4]，當本體二極體雙極通電[3]時，普通SiC MOSFET的可靠性會因導通電阻增加而降低。Toshiba SiC MOSFET透過一種元件結構來緩解這個問題，該元件結構將蕭特基勢壘二極體(SBD)內建MOSFET以使本體二極體失活，但將SBD置於晶片上會減少決定MOSFET導通電阻的通道的可用面積，並增加晶片的導通電阻。

X5M007E120中內建的SBD以方格圖案排列，而不是通常使用的條紋圖案，這種排列可有效抑制元件本體二極體的雙極通電，同時將單極操作的上限提高到電流面積的大約兩倍，即使佔用相同的SBD安裝面積也是如此[5]。相較條紋陣列，通道密度也有所提高，且單位面積的導通電阻較低，可降低約20%至30%[5]。效能的改進和低導通電阻，加上同時能夠保持對反向導通操作的可靠性，將節省用於馬達控制的逆變器（如汽車牽引逆變器）的能耗。

降低SiC MOSFET中的導通電阻會導致短路期間流過MOSFET的電流過大[6]，從而降低短路耐久性。強化內建式SBD的導通以提高反向導通操作的可靠性也會增加短路期間的電流洩漏，從而再次降低短路耐久性。新的裸片具有較深的屏障結構[7]，可在短路狀態下抑制MOSFET中的過電流和SBD中的漏電流，從而提高其耐用性，同時保持對反向導通操作的出色可靠性。

使用者可以對裸片進行客製化以滿足其特定的設計需求，並實現針對其應用的解決方案。

Toshiba可望於2025年提供X5M007E120的工程樣品，並於2026年開始量產。同時，它將探索如何進一步改進元件特性。

Toshiba將為客戶提供更易用、更高效能的功率半導體，應用於能源效率至關重要的領域，例如用於馬達控制的逆變器和電動汽車的功率控制系統，從而為實現脫碳社會貢獻力量。

註：
[1] 未封裝的晶片產品。
[2] 將電池供電的直流電轉換為交流電並控制電動汽車(EV)或混合動力汽車(HEV)中馬達的裝置。
[3] 當正向電壓施加到漏極和源極之間的pn二極體時的雙極操作。
[4] 由於電路中的電流回流，電流從源極流向MOSFET漏極的操作。
[5] 相較使用條紋圖案的Toshiba產品。
[6] 相較正常開關操作期間的短時導通，在控制電路故障等異常模式下發生長期導通的現象。需要堅固耐用，且在短路操作一定時間內不會失效。
[7] 元件結構的一個元件，用於控制由於高電壓引起的高電場。它會顯著影響元件的效能。

Figure 1. Appearance (top view) and internal circuit
圖1：外觀（俯視圖）與內部電路
Figure 2. Schematic diagrams of MOSFETs with existing striped-pattern embedded SBDs and MOSFETs with check-pattern embedded SBDs
圖2：現有條紋圖案排列SBD的MOSFET與格紋圖案排列SBD的MOSFET的原理圖
Figure 3. Measured values of critical current density of unipolar conduction and On-resistance of MOSFETs with existing striped-pattern embedded SBDs and MOSFETs with check-pattern embedded SBDs (Toshiba survey)
圖3：條紋圖案排列SBD的MOSFET與格紋圖案排列SBD的MOSFET的單級傳導及導通電阻臨界電流密度測量值(東芝調查)
Figure 4. Comparison between typical SiC MOSFETs and Toshiba SiC MOSFETs (MOSFETs with embedded SBDs into MOSFET chips)
圖4：典型SiC MOSFET與東芝SiC MOSFET（將SBD嵌入MOSFET芯片的MOSFET）的比較
Figure 5. Schematic diagrams of existing MOSFETs with check-pattern embedded SBDs and deep barrier structure MOSFETs
圖5：格紋圖案排列SBD的現有MOSFET與深勢壘結構設計MOSFET的原理圖
Figure 6. Measured values of short circuit withstand times and On-resistance of MOSFETs with existing striped-pattern embedded SBDs and deep barrier structure MOSFETs (Toshiba survey)
圖6：條紋圖案排列SBD和深勢壘結構設計MOSFET的短路耐受時間和導通電阻的測量值（東芝調查）

應用

  • 汽車牽引逆變器

特性

  • 低導通電阻和高可靠性
  • 用於汽車的裸片
  • 符合AEC-Q100標準
  • 漏源電壓額定值：VDSS=1200V
  • 漏極電流(DC)額定值：ID=(229)A[8]
  • 低導通電阻：
    RDS(ON)=7.2mΩ（典型值）(VGS=+18V, Ta=25°C)
    RDS(ON)=12.1mΩ（典型值）(VGS=+18V, Ta=175°C)

註:
[8] 暫定值

主要規格

(Ta=25°C, 除非另有說明)

零件編號 X5M007E120
封裝 Toshiba封裝名稱 2-7Q1A
尺寸  (mm) 典型值 6.0×7.0

絕對

最大

額定值

 漏源電壓 VDSS  (V) 1200
閘極-源極電壓 VGSS  (V) +25/-10
漏極電流 (DC) ID  (A) (229)[8]
漏極電流（脈衝） ID Pulse  (A) (458)[8]
通道溫度 Tch  (°C) 175

電氣

特性

 閘極閾值電壓
Vth  (V) 		 VDS=10V,
ID=16.8mA		 典型值 4.0


漏源導通電阻

RDS(on)  (mΩ)

 ID=50A,
VGS=+18V		 典型值 7.2
ID=50A,
VGS=+18V,
Ta=175°C		 典型值 12.1

正向電壓 VSD  (V)		 ISD=50A,
VGS=-5V		 典型值 -1.21

正向電壓 VSD  (V)		 ISD=50A,
VGS=-5V,
Ta=175°C		 典型值 -1.40
內部閘極電阻
rg  (Ω)		 漏極開路,
f=1MHz
 典型值 3.0

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