功率器件是降低車輛以及工業(yè)設(shè)備和其它電氣設(shè)備能耗的重要元器件，而碳化硅相較于有機(jī)硅可進(jìn)一步提高電壓并降低損耗，因此業(yè)界普遍預(yù)期碳化硅將成為新一代的功率器件材料。雖然碳化硅材質(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，包括用于工業(yè)設(shè)備的各種光伏發(fā)電系統(tǒng)（PPS）和電源管理系統(tǒng)（PMS）。

 

目前可靠性問題是碳化硅器件利用和市場增長的攔路虎，問題之一涉及位于功率MOSFET的電源與列車之間的PN結(jié)二極管^[4]。PN結(jié)二極管的外施電壓使其帶電，造成導(dǎo)通電阻變化，進(jìn)而有損于器件的可靠性。東芝新推出的肖特基勢壘二極管（SBD）內(nèi)嵌式MOSFET器件結(jié)構(gòu)正是此問題的克星。

 

該新結(jié)構(gòu)中有一個(gè)與電池單元內(nèi)的PN結(jié)二極管平行設(shè)置的肖特基勢壘二極管，可防止PN結(jié)二極管帶電。相較于PN結(jié)二極管，內(nèi)嵌肖特基勢壘二極管的通態(tài)電壓更低，因此電流會(huì)通過內(nèi)嵌肖特基勢壘二極管，進(jìn)而抑制導(dǎo)通電阻變化和MOSFET可靠性下降等問題。

 

內(nèi)嵌肖特基勢壘二極管的MOSFET現(xiàn)已投入實(shí)際應(yīng)用，但僅限于3.3kV器件等高壓產(chǎn)品；內(nèi)嵌肖特基勢壘二極管通常會(huì)使導(dǎo)通電阻升高至僅高壓產(chǎn)品能承受的一個(gè)電壓水平。東芝在調(diào)整各個(gè)器件參數(shù)后發(fā)現(xiàn)MOSFET中肖特基勢壘二極管的面積比是抑制導(dǎo)通電阻增大的關(guān)鍵因素。東芝通過優(yōu)化肖特基勢壘二極管的這一比例，實(shí)現(xiàn)了1.2kV級高可靠型碳化硅（SiC）MOSFET。

 

東芝計(jì)劃自今年八月下旬起利用這項(xiàng)新技術(shù)開始量產(chǎn)1.2kV級碳化硅（SiC）MOSFET。

 

2020年7月德國紐倫堡國際電力電子系統(tǒng)及元器件展覽會(huì)（PCIM Europe）上報(bào)道了該新器件結(jié)構(gòu)的詳情，這是一次在線舉辦的國際性功率半導(dǎo)體展會(huì)。

 

注

 

[1] MOSFET：金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管

[2] 肖特基勢壘二極管（SBD）：通過半導(dǎo)體與金屬接合形成的一種半導(dǎo)體二極管

[3] 東芝規(guī)定當(dāng)以250A/cm2的電流密度通過電源向某器件的漏極通電1,000小時(shí)后才出現(xiàn)導(dǎo)通電阻變化，即視為該器件可靠。東芝的典型MOSFET的導(dǎo)通電阻變化率高達(dá)43%，而肖特基勢壘二極管（SBD）內(nèi)嵌式MOSFET的這一變化率僅為3%。

[4] PN結(jié)二極管：通過在電源與漏極之間設(shè)置PN結(jié)形成的一種二極管

 

肖特基勢壘二極管（SBD）內(nèi)嵌式MOSFET的結(jié)構(gòu)

 

肖特基勢壘二極管（SBD）內(nèi)嵌式MOSFET可抑制導(dǎo)通電阻變化

 

 

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