三菱电机开发了高耐压SiC MOSFET,并将其产品化,率先将其应用于驱动铁路车辆的变流器中,是一家在市场上拥有良好业绩记录的SiC器件制造商。本篇带你了解三菱电机高压SiC芯片技术。
通过使用SiC,可实现额定电压3.3kV以上的高耐压MOSFET。由于MOSFET是单极性器件,少数载流子不会积聚,所以能够实现极低的开关损耗。一般来说,由于高耐压模块所处理的电流大,需要将功率损耗引起的发热控制在容许值以下,因此将载波频率(开关频率)设置得较低。但通过使用SiC MOSFET,系统能够使用高载波频率,可为系统提供诸如高性能、小型化等前所未有的优点。
高耐压SiC MOSFET的漂移层电阻和JFET区域电阻占导通电阻的比例较大。由于漂移层的电阻是由击穿电压和物理特性值决定的,很难通过设计来降低漂移层的电阻。因此,通过优化JFET区域设计来降低电阻非常重要。在JFET区域的设计中,在降低电阻的同时,为了确保可靠性,还需要抑制最大电场强度。如第11讲所述,通过使用在第二代SiC MOSFET开发中获得的JFET掺杂技术,实现了兼具低电阻和高可靠性的3.3kV SiC MOSFET。此外,高耐压SiC MOSFET还需要考虑的性能是短路耐受能力。当施加高电压时,必须进一步减小短路电流以保证器件免受短路故障的影响。SiC MOSFET短路电流的抑制伴随着导通电阻的增加,因此设计时必须考虑这些特性的平衡。
图1表示3.3kV SiC MOSFET模块的正向特性。图中还显示了与SiC MOSFET具有相同有效面积的Si IGBT的正向特性。在低电流区域,与存在内建电势的Si IGBT相比,SiC MOSFET的通态电压大幅降低。这是SiC MOSFET的一大优点。
图1:3.3kV SiC MOSFET模块的正向特性
作为下一代的高耐压SiC MOSFET,三菱电机开发了第三代SBD嵌入式SiC MOSFET,并于2024年将第一个配备该芯片的SiC模块商业化。如第5讲所述,SiC晶体中存在少量晶体缺陷,这些缺陷在通过双极电流时使器件特性恶化。在芯片并联数较多的高耐压大电流模块中,包含该缺陷的概率变高,因此在正常工作时,为了避免双极电流流过,开发了将肖特基二极管嵌入在MOS元胞内的SiC MOSFET。
图2显示了SBD嵌入式SiC MOSFET与常规MOSFET的横截面结构图。在SBD嵌入式SiC MOSFET中,在与源极接触的部分形成肖特基接触。当向MOSFET施加反向电压时,肖特基电流(单极电流)通过MOSFET,以抑制体二极管导通引起的双极电流。
图2(a):常规3.3kV SiC MOSFET的MOS元胞截面图
图2(b):3.3kV SBD嵌入式SiC MOSFET的MOS元胞截面图
图3显示了SBD嵌入式SiC MOSFET的正向特性。漏极电流和漏极电压的正向特性与常规SiC MOSFET相同。图4显示了SBD嵌入式SiC MOSFET的反向特性。在关闭栅极的情况下,向MOSFET施加反向电压时,在常规结构中,在超过约2.5V时,MOSFET的体二极管会流过双极性电流。另一方面,在SBD嵌入式SiC MOSFET中,从约1V开始,流过单极性的肖特基电流,没有来自体二极管的电流流过。因此,不会因双极导通而带来的劣化。
图3:SBD嵌入式SiC MOSFET的正向特性
图4:SBD嵌入式SiC MOSFET的反向特性
SBD嵌入式SiC MOSFET的挑战之一是其低浪涌电流能力。对此,三菱电机开发了一种独特的MOS元胞结构,该结构仅在浪涌电流流过时以双极方式工作。通过将该MOS元胞集成到SBD嵌入式SiC MOSFET中,成功地大幅提高了浪涌电流能力。
正文完
<关于三菱电机>
三菱电机创立于1921年,是全球知名的综合性企业。截止2024年3月31日的财年,集团营收52579亿日元(约合美元348亿)。作为一家技术主导型企业,三菱电机拥有多项专利技术,并凭借强大的技术实力和良好的企业信誉在全球的电力设备、通信设备、工业自动化、电子元器件、家电等市场占据重要地位。尤其在电子元器件市场,三菱电机从事开发和生产半导体已有68年。其半导体产品更是在变频家电、轨道牵引、工业与新能源、电动汽车、模拟/数字通讯以及有线/无线通讯等领域得到了广泛的应用。
全部0条评论
快来发表一下你的评论吧 !