TOSHIBA 第三代SiC MOSFET的特點 -Part 1

本篇我們將介紹TOSHIBA 第三代  Sic MOSFET特點，首先我們都知道功率半導體是供應和控制電力的關鍵元件，對電力系統至關重要。它們在各種電氣設備中實現節能和碳中和。隨著汽車趨向電力驅動和工業設備變得更加高效和小型化，預計功率半導體的需求將持續增長。在這樣的需求增加背景下，碳化矽（SiC）作為下一代功率半導體材料，因其比傳統矽（Si）具有更高的耐壓和更低的損耗而受到關注。我們的第三代（3G）SiC MOSFET在第二代（2G）的基礎上進行了改進，採用了在SiC MOSFET的漏極與源極之間並聯肖特基勢壘二極體（SBD）的結構，提高了元件的可靠性。此外，通過採用最新的裝置結構，我們在開關性能指標Ron*Qgd和單位面積導通電阻RonA上實現了顯著提升，相比2G產品有了大幅改進。寬柵源電壓（VGS）的額定值和高閘極閾值電壓（Vth）使其在開關雜訊下不易發生故障，顯示出高抗噪能力。3G SiC MOSFET具備的這些特性有助於降低功耗，並在開關模式電源、不間斷電源（UPS）、太陽能逆變器和電動車充電站等應用中提供更高的輸出。

       我們首先展示的是表2所示的3G SiC MOSFET，這些產品包括一系列耐壓為650V和1200V的TO-247封裝。

表1: TOSHIBA 3G SiC MOSFET products (註一:Features of third generation SiC MOSFET)

接下來我們利用來圖1.展示了3G SiC MOSFET的結構。相較於2G SiC MOSFET的結構（圖1.(a)），此結構在寬p型擴散區下方注入氮氣，目的是降低底部的擴展電阻Rspread，並提升蕭特基二極管（SBD）的電流能力。此外，通過在JFET區域注入氮氣，JFET的面積得以減小，在不提高RonA的同時，降低了反饋電容。

圖1. Structure of 2G and 3G SiC MOSFET(註一:Features of third generation SiC MOSFET)

      TOSHIBA 3G Sic MOSFET 相較於2G，如圖2.所示，採用這種最先進的設備結構，1200V的3G SiC MOSFET的單位面積導通電阻降低了43% RonA，開關性能指數Ron*Qgd降低了80%。圖3.展示了對2G和3G產品開關損耗的評估結果。3G SiC MOSFET（1200V，45mΩ（典型值））的開關損耗比2G SiC MOSFET（1200V，70mΩ（典型值））低約11%，即使Ron降低了約35%。圖4.展示了用於評估開關期間波形和損耗的電感負載電路。圖5.則顯示了開啟和關斷的波形(量測條件: VDD=800V, ID=20A, L=100μH, VGS=18V/0V, Rg (external gate resistor)
= 4.7Ω)。

圖2. Reduction results of 3G RonA and Ron*Qgd against 2G (註一:Features of third generation SiC MOSFET)

圖3. Switching loss Comparison between 2G and 3G 1200V SiC MOSFET (註一:Features of third generation SiC MOSFET)

圖4. L-load circuit for evaluating waveform and loss during switching(註一:Features of third generation SiC MOSFET)

如圖6所示，我們TOSHIBA的3G SiC MOSFET與其他廠牌相比我們擁有更廣泛的VGS額定範圍：從-10V（最小值）到25V（最大值）。與競爭對手的最新一代產品相比，我們的Vth更高，範圍從3V（最小值）到5V（最大值），這減少了因開關雜訊導致的故障風險，並且使閘極驅動器的設計更為容易。

圖6. VGS ratings and Vth standards for our 3G product and the latest-generation products of other competitors (註一:Features of third generation SiC MOSFET)

再來 TOSHIBA 3G SiC MOSFET採用了與SBD並聯的結構，這種結構的PN二極體實現了低VF特性，並顯著抑制了由SiC晶體中缺陷擴展引起的Ron波動。導通電阻（RDS(ON)）的波動情況如圖7.所示，比較了傳統SBD非整合SiC MOSFET和內建SBD的SiC MOSFET在施加250A/cm2電流密度1000小時後的表現。在傳統SBD非整合SiC MOSFET中，RDS(ON)的波動在1000小時後可達42%。而在內建SBD的SiC MOSFET中，RDS(ON)的變化被壓制在3%以內如圖8.所示，這得益於內建SBD在高電流下抑制PN二極體的工作，從而防止晶體缺陷的擴展。

圖7.Cross-sectional structure of a MOSFET with a built-in SBD (註一:Features of third generation SiC MOSFET)

圖8. RDS(ON) of 3G SiC MOSFET after drain reverse current flow  (註一:Features of third generation SiC MOSFET)

以上就是TOSHIBA 第三代 Sic MOSFET 的特點和優勢,下一篇我們將介紹 TOSHIBA 第三代 Sic MOSFET的規格和測試數據。