東芝開發出用於資料中心電源系統高頻變頻器的碳化矽SiC功率模組技術

2026年6月12日

東芝電子元件及儲存裝置株式會社

日本川崎—東芝電子元件及儲存裝置株式會社（「東芝」）現已開發出可滿足高頻變頻器應用的碳化矽（ SiC ）功率模組技術，可以讓高頻變頻器的功率損耗更低、可靠性也提升。此技術將內嵌肖特基二極體（SBD） ^[1]的東芝專有碳化矽MOSFET ^[2]與經過最佳化的模組設計相結合，可在高速開關過程中實現高度可靠的低損耗運作。模擬結果顯示，與使用前一世代內嵌SBD的碳化矽MOSFET結構^[3]的模組相比，當高頻變頻器在60kHz頻率下運作時，總功率損耗大約可降低30%。

人工智慧的廣泛應用以及資料中心的日益複雜化，正迅速增大電力消耗。這類應用的配電系統必須具備更高的效率和功率密度，這使得高頻率運作的功率半導體的重要性日益顯著。對於必須滿足效率和尺寸要求的逆變器和不間斷電源（UPS）等電力設備而言，這一趨勢尤其明顯。在此背景下，1200V等級的SiC電源模組有望在下一代電源系統中發揮核心作用，但這需要進一步改進晶片和模組設計。

東芝現已開發出新一代內嵌式SBD的SiC MOSFET，解決了二極體導電過程中與碳化矽材料特性相關的可靠性挑戰。然而，前一世代的結構^[3]限制了通道和SBD區域的佈局，導致難以在低導通電阻^[4]和二極體可靠性之間取得平衡。此外，縮小電源模組的晶片總面積雖能提高開關速度，但也會產生一些互相制衡的問題，包括導通電阻增大、二極體可靠性降低以及散熱性能下降。

新開發的內嵌式SBD的SiC MOSFET結構將具有棋盤格圖案的SBD佈局與深P型勢壘區^[5]結合（圖1）。利用深P型勢壘區的電場抑制^[6]效應所實現的更高設計彈性，可以對通道^[7] 、漂移層^[8] 、場效應電晶體（JFET） ^[9]區域以及閘極驅動條件等多個設計參數進行最佳化。因此，該元件抑制了局部電流集中，改善了流經通道和漂移層的電流，並且在導通狀態和二極體工作狀態下均能實現穩定的工作電流，從而改善了導通電阻與二極體可靠性之間的互相制衡性。在25 ℃和150 ℃溫度條件下，該元件的導通電阻比分別為1.8mΩ·cm²和2.7mΩ·cm²，與前一世代的結構^[3]相比降低了約50%，單位面積的SBD電流傳導能力^[10]提高了約40%。

此次的開發應用於1200V等級的SiC電源模組（圖2）。與前一世代的結構^[3]相比，模組內的晶片總面積減少了約36%。同時，透過降低導通電阻和提高可靠性，提高了晶片性能，在保持二極體可靠性的同時，降低了模組級導通損耗^[11] 。此外，透過改善封裝結構和設計（包括採用樹脂絕緣基板），將單位面積的熱阻降低了約25%。這不僅改善了熱擴散，即使在因晶片總面積減小而導致熱密度增加的情況下，也能保持良好的散熱性能。

這些改進證實了開關損耗^[12]進一步降低（圖3）。模擬結果顯示，在60kHz高頻運轉條件下，變頻器的總功率損耗大約可降低30%（圖4）。透過優化開關條件（包括閘極驅動速度），預計開關損耗將進一步降低。結果顯示，可在高頻功率轉換領域實現顯著的性能提升。

有望成為提高功率轉換系統（包括資料中心UPS、工業設備以及再生能源應用）效率和減少體積的關鍵技術。東芝將持續推動此技術的開發，以實現實際應用和量產，同時進一步提升高頻運作能力和性能，進而提高電源系統的能效，為建立永續發展的社會做出貢獻。

東芝於2026年6月9日至11日在德國紐倫堡舉辦的2026年度國際電力電子系統及功率元件展覽會（PCIM）上向參展者和觀眾介紹了該技術。