東芝在SiC和GaN的技術(shù)產(chǎn)品創(chuàng )新

1 SiC、GaN相比傳統方案的優(yōu)勢

雖然硅功率器件目前占據主導地位，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用，而GaN 功率器件具有出色的射頻頻率特性，能滿(mǎn)足要求高效率和小尺寸的千瓦級應用。

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(kāi)關(guān)器件。此外，SiC 的導熱系數大約是硅的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功率損耗、擊穿電壓和散熱有嚴格要求的應用。目前，SiC 器件的主要應用包括電動(dòng)汽車(chē)充電站、光伏發(fā)電機、不間斷電源和服務(wù)器電源等等。SiC 器件主要應用于開(kāi)關(guān)頻率為（10~100）kHz 和功率容量為（1~100）kW 的應用。對于電動(dòng)汽車(chē)充電站而言，SiC MOSFET 主要用于三相有源功率因數校正電路和雙向 DC-DC 轉換器。而SiC BCD（肖特基勢壘二極管）通常用于升壓功率因數校正電路。

黃文源(東芝電子元件(上海)有限公司半導體技術(shù)統括部/技術(shù)企劃部高級經(jīng)理)

2 制約SiC解決方案推廣的技術(shù)挑戰

功率器件是管理各種電子設備電能、降低功耗以及實(shí)現碳中和社會(huì )的重要元器件。SiC 被廣泛視為下一代功率器件的材料，因為SiC 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(chē)逆變器，但其今后的應用領(lǐng)域非常廣泛，例如車(chē)輛電氣化，工業(yè)設備小型化，光伏發(fā)電機、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(cháng)。在SiC MOSFET反向導通動(dòng)作時(shí)，如果體二極管雙極性通電會(huì )使得導通電阻劣化，成為可靠性相關(guān)課題。

圖1 東芝新型SiC MOSFET的結構

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 具有低導通電阻，顯著(zhù)降低了開(kāi)關(guān)損耗，現在已經(jīng)開(kāi)發(fā)出具有低導通電阻、開(kāi)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(kāi)關(guān)損耗約降低了20%。

東芝通過(guò)在第二代產(chǎn)品的SiC MOSFET 內部與PN二極管并聯(lián)內置了一個(gè)肖特基勢壘二極管（SBD）的結構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，單位面積的導通電阻（RonA）以及代表導通電阻和高速的性能指標（R_on*Q_gd）都會(huì )增大。芯片面積增大以降低導通電阻（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)的器件結構既能減小R_onA，又能包含SBD。目前，通過(guò)在SiC MOSFET 的p 型寬擴散區（p 阱）底部注入氮氣，可減小擴散電阻（Rspread）并增大 SBD 電流。東芝還通過(guò)減小JFET 區和注入氮氣，減小了反饋電容和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，這種器件結構的RonA 降低了43%，Ron*Qgd 降低了80%，（因導通和關(guān)斷產(chǎn)生的）開(kāi)關(guān)損耗約降低了20%。通過(guò)SBD 的位置優(yōu)化還確保了穩定運行，不會(huì )出現 RonA波動(dòng)。

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

該系列產(chǎn)品包含1 200 V 和650 V 兩種規格，該系列具有低導通電阻，可顯著(zhù)降低開(kāi)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(xiàn)，強化生產(chǎn)設施，并通過(guò)提供易于使用的高性能功率器件，努力實(shí)現碳中和經(jīng)濟。

圖2 RonA和Ron*Qgd 降低(東芝的測試結果)

●   GaN 解決方案

東芝率先在GaN 器件上應用電流傳感技術(shù)，實(shí)現了功率損耗更低、電流傳感精度更高、電源系統體積更小的GaN 器件。東芝開(kāi)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具有很高的電流監測精度，但功率損耗不會(huì )增加，并有助于減小此類(lèi)系統和電子設備的尺寸。

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

東芝的新技術(shù)采用級聯(lián)共源共柵，將低壓金屬氧化物半導體場(chǎng)效應晶體管（MOSFET）與GaN 場(chǎng)效應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)化和尖端校準技術(shù)可保證10 MHz 以上的帶寬，可提高產(chǎn)品性能及測量精度。集成到 HB 模塊的這款新型IC 不僅提高了開(kāi)關(guān)頻率，還縮小了電容和電感的尺寸，有助于電子設備的小型話(huà)化?？商岣吖β兽D換器效率的功率半導體（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)盡快將這項新技術(shù)應用于功率半導體，確保相關(guān)產(chǎn)品盡早上市，為實(shí)現碳中和目標做出貢獻。

圖3 和圖4 是東芝該項新技術(shù)的示意圖，供參考。

圖3 使用新開(kāi)發(fā)的電流傳感器的功率轉換器的圖像

圖4 新開(kāi)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）