東芝在SiC和GaN的技術(shù)產(chǎn)品創(chuàng)新

1 SiC、GaN相比傳統(tǒng)方案的優(yōu)勢(shì)

雖然硅功率器件目前占據(jù)主導(dǎo)地位，但SiC（碳化硅）和GaN（氮化鎵）功率器件正日益普及。SiC 功率器件具有出色的熱特性，適用于需要高效率和高輸出的應(yīng)用，而GaN 功率器件具有出色的射頻頻率特性，能滿足要求高效率和小尺寸的千瓦級(jí)應(yīng)用。

最為重要的一點(diǎn)，SiC 的擊穿場(chǎng)是硅的10 倍。由于這種性質(zhì)，SiC 器件的塊層厚度可以是硅器件的1/10。因此，使用SiC 可以制造出具有超低電阻和高擊穿電壓的開關(guān)器件。此外，SiC 的導(dǎo)熱系數(shù)大約是硅的3 倍，因此它能提供更高的散熱能力。由于這些物理特性，SiC 功率器件非常適合用于對(duì)功率損耗、擊穿電壓和散熱有嚴(yán)格要求的應(yīng)用。目前，SiC 器件的主要應(yīng)用包括電動(dòng)汽車充電站、光伏發(fā)電機(jī)、不間斷電源和服務(wù)器電源等等。SiC 器件主要應(yīng)用于開關(guān)頻率為（10~100）kHz 和功率容量為（1~100）kW 的應(yīng)用。對(duì)于電動(dòng)汽車充電站而言，SiC MOSFET 主要用于三相有源功率因數(shù)校正電路和雙向 DC-DC 轉(zhuǎn)換器。而SiC BCD（肖特基勢(shì)壘二極管）通常用于升壓功率因數(shù)校正電路。

黃文源(東芝電子元件(上海)有限公司半導(dǎo)體技術(shù)統(tǒng)括部/技術(shù)企劃部高級(jí)經(jīng)理)

2 制約SiC解決方案推廣的技術(shù)挑戰(zhàn)

功率器件是管理各種電子設(shè)備電能、降低功耗以及實(shí)現(xiàn)碳中和社會(huì)的重要元器件。SiC 被廣泛視為下一代功率器件的材料，因?yàn)镾iC 相較于硅材料可進(jìn)一步提高耐壓并降低損耗。雖然SiC 材質(zhì)的功率器件目前主要用于列車逆變器，但其今后的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，例如車輛電氣化，工業(yè)設(shè)備小型化，光伏發(fā)電機(jī)、不間斷電源和服務(wù)器電源等等。然而，可靠性問(wèn)題卻阻礙了SiC 器件的采用和市場(chǎng)增長(zhǎng)。在SiC MOSFET反向?qū)▌?dòng)作時(shí)，如果體二極管雙極性通電會(huì)使得導(dǎo)通電阻劣化，成為可靠性相關(guān)課題。

圖1 東芝新型SiC MOSFET的結(jié)構(gòu)

3 東芝的SiC MOSFET和GaN的解決方案

●   第三代SiC MOSFET 解決方案

東芝的新型SiC MOSFET 具有低導(dǎo)通電阻，顯著降低了開關(guān)損耗，現(xiàn)在已經(jīng)開發(fā)出具有低導(dǎo)通電阻、開關(guān)損耗大幅降低的SiC MOSFET，與第二代SiC MOSFET相比，新型產(chǎn)品的開關(guān)損耗約降低了20%。

東芝通過(guò)在第二代產(chǎn)品的SiC MOSFET 內(nèi)部與PN二極管并聯(lián)內(nèi)置了一個(gè)肖特基勢(shì)壘二極管（SBD）的結(jié)構(gòu)成功解決了可靠性問(wèn)題。但這又產(chǎn)生了一個(gè)新問(wèn)題，當(dāng)MOSFET 包含不作為MOSFET 工作的SBD 單元時(shí)，MOSFET 的性能會(huì)下降。具體而言，單位面積的導(dǎo)通電阻（RonA）以及代表導(dǎo)通電阻和高速的性能指標(biāo)（R_on*Q_gd）都會(huì)增大。芯片面積增大以降低導(dǎo)通電阻（Ron），這又帶來(lái)了進(jìn)一步的問(wèn)題——單位成本提高。

東芝目前研發(fā)的器件結(jié)構(gòu)既能減小R_onA，又能包含SBD。目前，通過(guò)在SiC MOSFET 的p 型寬擴(kuò)散區(qū)（p 阱）底部注入氮?dú)?，可減小擴(kuò)散電阻（Rspread）并增大 SBD 電流。東芝還通過(guò)減小JFET 區(qū)和注入氮?dú)猓瑴p小了反饋電容和JFET 電阻。因此，在未增大RonA的情況下減小了反饋電容。相較于第二代產(chǎn)品，這種器件結(jié)構(gòu)的RonA 降低了43%，Ron*Qgd 降低了80%，（因?qū)ê完P(guān)斷產(chǎn)生的）開關(guān)損耗約降低了20%。通過(guò)SBD 的位置優(yōu)化還確保了穩(wěn)定運(yùn)行，不會(huì)出現(xiàn) RonA波動(dòng)。

在此基礎(chǔ)上，東芝推出面向更高效工業(yè)設(shè)備的第三代 SiC MOSFET“TWxxNxxxC 系列”。

該系列產(chǎn)品包含1 200 V 和650 V 兩種規(guī)格，該系列具有低導(dǎo)通電阻，可顯著降低開關(guān)損耗。該系列10款產(chǎn)品包括5 款1 200 V 產(chǎn)品和5 款650 V 產(chǎn)品。東芝將進(jìn)一步壯大其功率器件產(chǎn)品線，強(qiáng)化生產(chǎn)設(shè)施，并通過(guò)提供易于使用的高性能功率器件，努力實(shí)現(xiàn)碳中和經(jīng)濟(jì)。

圖2 RonA和Ron*Qgd 降低(東芝的測(cè)試結(jié)果)

●   GaN 解決方案

東芝率先在GaN 器件上應(yīng)用電流傳感技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了功率損耗更低、電流傳感精度更高、電源系統(tǒng)體積更小的GaN 器件。東芝開發(fā)出全球首個(gè)集成于半橋（HB）模塊的分流式MOS 電流傳感器。當(dāng)其用于GaN 功率器件等器件時(shí)，該傳感器可使電力電子系統(tǒng)具有很高的電流監(jiān)測(cè)精度，但功率損耗不會(huì)增加，并有助于減小此類系統(tǒng)和電子設(shè)備的尺寸。

全球推行碳中和，需要更高效的電子設(shè)備，尤其是小型的系統(tǒng)。然而，由于HB 模塊和電流傳感器必須安裝在電感器的兩側(cè)，因此將他們集成在一塊芯片上很困難。電流檢測(cè)降低功耗（減少熱量）的同時(shí)，也會(huì)降低的精度，因?yàn)檫@取決于分流電阻。雖然現(xiàn)今的技術(shù)可實(shí)現(xiàn)高精度電流傳感器，但卻無(wú)法降低損耗。

東芝的新技術(shù)采用級(jí)聯(lián)共源共柵，將低壓金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MOSFET）與GaN 場(chǎng)效應(yīng)晶體管相連用于電流傳感，因此無(wú)需使用分流電阻，避免其產(chǎn)生功耗。此外，電路優(yōu)化和尖端校準(zhǔn)技術(shù)可保證10 MHz 以上的帶寬，可提高產(chǎn)品性能及測(cè)量精度。集成到 HB 模塊的這款新型IC 不僅提高了開關(guān)頻率，還縮小了電容和電感的尺寸，有助于電子設(shè)備的小型話化?？商岣吖β兽D(zhuǎn)換器效率的功率半導(dǎo)體（包括GaN器件）是東芝的一大核心產(chǎn)品領(lǐng)域。東芝將通過(guò)盡快將這項(xiàng)新技術(shù)應(yīng)用于功率半導(dǎo)體，確保相關(guān)產(chǎn)品盡早上市，為實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)做出貢獻(xiàn)。

圖3 和圖4 是東芝該項(xiàng)新技術(shù)的示意圖，供參考。

圖3 使用新開發(fā)的電流傳感器的功率轉(zhuǎn)換器的圖像

圖4 新開發(fā)的并聯(lián)MOS電流傳感器的圖像

（本文來(lái)源于EEPW 2023年10月期）