1.東芝SiC MOSFET Built-in SBD實現了低VF並提高可靠性 東芝第三代SiC MOSFET採用了一種結構如圖1所示，在SiC MOSFET的PN二極體旁並聯內建了SBD，現了低VF的特性，圖2顯示了在施加250 A/cm²電流密度並從源極到汲極導通1000小時後，傳統的SiC MOSFET與採用內建SBD的SiC MOSFET的RDS(ON) 的波動狀況。在傳統的SiC MOSFET中，量測到RDS(ON)在1000小時的導通後波動高達42%。而使用內建SBD的SiC MOSFET能將RDS(ON 的波動抑制在3%以內。這是因為內建的SBD能抑制PN二極體的運作，防止晶體缺陷的擴展。 Fig. 1 Cross-sectional structure of a MOSFET with a built-in SBD Fig. 2 RDS(ON) of 3G SiC MOSFET after drain reverse current flow 2.東芝第三代SiC MOSFET的優勢 2.1 RDS(ON)的溫度特性 下圖3為東芝第三代產品與競爭對手最新一代產品在相同條件下量測的比較結果。隨著溫度的升高，各公司的產品的RDS(ON)也隨之增加。在25°C下的RDS(ON)值為1，我們確認在各個溫度點上，東芝第三代產品的RDS(ON)增加率最低。即使在環境溫度為175°C時，東芝第三代產品的RDS(ON)相比25°C時僅增加了17%，而RDS(ON)增長率第二低的C公司產品增長了43%。RDS(ON)的溫度特性被證實東芝產品相較於所有競爭對手的優勢。 測量條件：VGS=18V, ID=20A Fig. 3 Temperature dependence of RDS(ON) 2.2 東芝第三代SiC MOSFET開關特性 我們對比評估了東芝第三代產品與競爭對手最新一代產品之間的開通損耗（EON）和關斷損耗（EOFF）。圖4顯示了Eon損耗和Eoff損耗的柵極電阻（Rg）曲線。由於東芝第三代產品內建了SBD，其輸出電容比競爭對手的最新一代產品稍大，因此在此次評估的，Eon比競爭對手的最新一代產品要高。但在關斷時東芝第三代產品電流下降速度更快，在Rg相同條件下，Eoff低於競爭對手的最新一代產品。如圖5所示，東芝第三代產品的總開關損耗（Eon+Eoff）與競爭對手的最新一代產品相等或更低。 測量條件：VDD=400V, ID=20A, Ta=25°C, VGS=20V/0V, L=100μH Fig. 4 Rg dependence of turn-on (EON) and turn-off (EOFF) switching Loss Fig. 5 Rg dependence of total switching loss (EON+EOFF) 2.3 東芝第三代SiC MOSFET 的VF特性 東芝第三代SiC MOSFET內建SBD，以實現更低的VF 電壓，從而降低反向導通損耗。圖6中的IDR-VF（VGS = 0V）曲線顯示，東芝第三代產品在整個IDR範圍內的VF比競爭對手的最新一代產品更低。在有反向導通的情況下，例如在同步整流模式中的死區時間期間，低VF特性有助於減少反向導通損耗。
Fig. 6 IDR-VF curve 3. 應用在Totem pole PFC Totem pole PFC是一種電源PFC電路拓撲，能夠同時實現高效率和少量元件，隨著SiC和GaN的廣泛使用，這種拓撲在近年來備受關注。圖7為Totep pole PFC電路與操作模式。Q1, Q2為快速臂，Q3, Q4為慢速臂。由於Q1和Q2操作在硬切，因此設置了死區時間，以防止Q1和Q2同時導通。在此期間二極體將導通，從而因反向恢復電流而導致損耗。因此，為了降低Totem pole PFC的損耗，需使用具有優異反向恢復特性的產品，如SiC MOSFET和GaN。圖7所示的Q3和Q4在輸入交流電源的每半週期內交替進行同步整流，則可以選擇低RDS(ON)的產品，可不需要的高速反向恢復特性。 Fig. 7 PFC circuit of totem pole connection and explanation of the operation 我們在Totem pole PFC 評估板中Q1和Q2中使用了東芝第三代SiC MOSFET（TW048N65C），並與競爭對手的產品進行了效率比較。表1為Totem pole PFC評估板的評估條件。 Table 1 PFC evaluation conditions 圖8所示為東芝第三代產品（TW048N65C）與競爭對手最新一代產品之間的效率曲線比較。在輸出1.8 kW約50%負載條件下，各家公司都實現了超過98%的高效率，但在重載條件下，東芝第三代產品的效率比競爭對手的最新一代產品更高，且效率優勢顯著，如圖9所示。這是因為東芝第三代產品低RDS(ON) 溫度特性減少了導通損耗與低VF特性而減少了死區時間損耗。 問與答 Q1. 東芝第三代SiC相較競爭對手有哪些優勢? A1. 低RDS(ON)的溫度特性與低VF電壓。 Q2. 東芝第三代SiC MOSFET 內建了什麼? A2. Built-in SBD。 Q3. 東芝第三代SiC MOSFET Built-in SBD增加了哪些優勢? A3. 實現了低VF並提高可靠性與低RDS(ON)。 Q4. Totem pole PFC 架構中，GaN 和 SiC MOSFET 適合應用在哪個區域。 A4. 快速臂。 Q5. 環境溫度為175°C時，東芝第三代產品的RDS(ON)相比25°C時僅增加幾%? A5. 僅增加17%。 |
Fig.8 Efficiency result of totem pole PFC evaluation board Fig.9 Benchmark against other companies based on the efficiency of our 3G product
