【導讀】三菱電機開發(fā)了高耐壓SiC MOSFET，并將其產(chǎn)品化，率先將其應用于驅(qū)動鐵路車輛的變流器中，是一家在市場上擁有良好業(yè)績記錄的SiC器件制造商。本篇帶你了解三菱電機高壓SiC芯片技術(shù)。
三菱電機開發(fā)了高耐壓SiC MOSFET，并將其產(chǎn)品化，率先將其應用于驅(qū)動鐵路車輛的變流器中，是一家在市場上擁有良好業(yè)績記錄的SiC器件制造商。本篇帶你了解三菱電機高壓SiC芯片技術(shù)。
通過使用SiC，可實現(xiàn)額定電壓3.3kV以上的高耐壓MOSFET。由于MOSFET是單極性器件，少數(shù)載流子不會積聚，所以能夠?qū)崿F(xiàn)極低的開關(guān)損耗。一般來說，由于高耐壓模塊所處理的電流大，需要將功率損耗引起的發(fā)熱控制在容許值以下，因此將載波頻率（開關(guān)頻率）設置得較低。但通過使用SiC MOSFET，系統(tǒng)能夠使用高載波頻率，可為系統(tǒng)提供諸如高性能、小型化等前所未有的優(yōu)點。
高耐壓SiC MOSFET的漂移層電阻和JFET區(qū)域電阻占導通電阻的比例較大。由于漂移層的電阻是由擊穿電壓和物理特性值決定的，很難通過設計來降低漂移層的電阻。因此，通過優(yōu)化JFET區(qū)域設計來降低電阻非常重要。在JFET區(qū)域的設計中，在降低電阻的同時，為了確保可靠性，還需要抑制最大電場強度。如第11講所述，通過使用在第二代SiC MOSFET開發(fā)中獲得的JFET摻雜技術(shù)，實現(xiàn)了兼具低電阻和高可靠性的3.3kV SiC MOSFET。此外，高耐壓SiC MOSFET還需要考慮的性能是短路耐受能力。當施加高電壓時，必須進一步減小短路電流以保證器件免受短路故障的影響。SiC MOSFET短路電流的抑制伴隨著導通電阻的增加，因此設計時必須考慮這些特性的平衡。
圖1表示3.3kV SiC MOSFET模塊的正向特性。圖中還顯示了與SiC MOSFET具有相同有效面積的Si IGBT的正向特性。在低電流區(qū)域，與存在內(nèi)建電勢的Si IGBT相比，SiC MOSFET的通態(tài)電壓大幅降低。這是SiC MOSFET的一大優(yōu)點。
圖1：3.3kV SiC MOSFET模塊的正向特性
作為下一代的高耐壓SiC MOSFET，三菱電機開發(fā)了第三代SBD嵌入式SiC MOSFET，并于2024年將第一個配備該芯片的SiC模塊商業(yè)化。如第5講所述，SiC晶體中存在少量晶體缺陷，這些缺陷在通過雙極電流時使器件特性惡化。在芯片并聯(lián)數(shù)較多的高耐壓大電流模塊中，包含該缺陷的概率變高，因此在正常工作時，為了避免雙極電流流過，開發(fā)了將肖特基二極管嵌入在MOS元胞內(nèi)的SiC MOSFET。
圖2顯示了SBD嵌入式SiC MOSFET與常規(guī)MOSFET的橫截面結(jié)構(gòu)圖。在SBD嵌入式SiC MOSFET中，在與源極接觸的部分形成肖特基接觸。當向MOSFET施加反向電壓時，肖特基電流（單極電流）通過MOSFET，以抑制體二極管導通引起的雙極電流。
圖2(a)：常規(guī)3.3kV SiC MOSFET的MOS元胞截面圖
圖2(b)：3.3kV SBD嵌入式SiC MOSFET的MOS元胞截面圖
圖3顯示了SBD嵌入式SiC MOSFET的正向特性。漏極電流和漏極電壓的正向特性與常規(guī)SiC MOSFET相同。圖4顯示了SBD嵌入式SiC MOSFET的反向特性。在關(guān)閉柵極的情況下，向MOSFET施加反向電壓時，在常規(guī)結(jié)構(gòu)中，在超過約2.5V時，MOSFET的體二極管會流過雙極性電流。另一方面，在SBD嵌入式SiC MOSFET中，從約1V開始，流過單極性的肖特基電流，沒有來自體二極管的電流流過。因此，不會因雙極導通而帶來的劣化。
圖3：SBD嵌入式SiC MOSFET的正向特性
圖4：SBD嵌入式SiC MOSFET的反向特性
SBD嵌入式SiC MOSFET的挑戰(zhàn)之一是其低浪涌電流能力。對此，三菱電機開發(fā)了一種獨特的MOS元胞結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)僅在浪涌電流流過時以雙極方式工作。通過將該MOS元胞集成到SBD嵌入式SiC MOSFET中，成功地大幅提高了浪涌電流能力。
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