东芝第3代碳化硅MOSFET为中高功率密度应用赋能

 

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碳化硅（SiC）是第3代半导体材料的典型代表，具有高禁带宽度、高击穿电场和高功率密度、高电导率、高热导率等优越的物理性能，应用前景广阔。

 

目前，东芝的碳化硅MOSFET也已经发展到了第3代，新推出的650V和1200V电压产品现已量产。其栅极驱动电路设计简单，可靠性得到进一步的提高。

 

碳化硅MOSFET的优势

 

相同功率等级的硅MOSFET相比，新一代碳化硅MOSFET导通电阻、开关损耗大幅降低，适用于更高的工作频率，其高温工作特性也大大提高了器件的高温稳定性。其优点包括工作温度高、阻断电压高、损耗低、开关速度快四大方面。

 

在相同的功率等级下，设备中功率器件的数量、散热器体积、滤波元件体积都能大大减小，同时效率也有大幅度的提升，有助于实现车辆电气化和工业设备的小型化。

 

器件的基本特性

 

 

东芝第3代碳化硅MOSFET

 

东芝第3代碳化硅MOSFET的主要特性如下

（1）单位面积导通电阻低（RDS(ON)A）

（2）低漏源导通电阻×栅漏电荷（RDS(ON)×Qgd）

（3）低二极管正向电压：VDSF＝-1.35V（典型值）@VGS＝-5V

（4）内置SBD实现低VF和高可靠性（继第二代产品之后）

（5）显著改善导通电阻和开关损耗

（6）抗噪性高，使用方便

 

东芝第3代碳化硅MOSFET主要规格

 

功能特性分析

 

东芝推出的第3代TWxxNxxxC系列，共有10款产品，包括5款1200V和5款650V产品。

 

与第2代产品一样，这些新一代MOSFET内置了与碳化硅MOSFET内部PN结二极管并联的碳化硅肖特基势垒二极管（SBD），其正向电压（VF）低至-1.35V（典型值），可以抑制RDS(on)波动，从而提高了可靠性。

 

内置SBD抑制波动

 

不过，当MOSFET采用SBD单元时，会使MOSFET的性能下降：单位面积导通电阻（RDS(ON)A）及代表导通电阻和高速的品质因数（Ron*Qgd）增大。为了降低单位面积导通电阻通常会增加芯片面积，但这又带来了单位成本的问题。

 

为此，东芝利用先进的碳化硅工艺显著改善了单位面积导通电阻RDS(ON)A和Ron*Qgd。新产品的RDS(ON)A比第二代产品降低了43%，从而使漏源导通电阻×栅漏电荷（Ron*Qgd）降低了约80%，开关损耗约降低约20%，有助于提高设备效率。此外，由于栅极驱动电路设计简单，可防止开关噪声引起的故障。

 

东芝第3代碳化硅MOSFET和第二代产品的结构

 

新产品RDS(ON)A的改进

 

在VDD＝800V，ID＝20A，L＝100μH，RG（外部栅极电阻）＝4.7Ω测量条件下，测量的第2代和第3代碳化硅MOSFET的导通和关断波形如下图所示。

 

两代产品的导通和关断波形

 

产品应用方向

 

东芝650V和1200V第3代碳化硅MOSFET拥有更低的功耗，适用于大功率且高效、高功率密度的各类应用，如开关电源（数据中心、服务器、通信设备等）、不间断电源（UPS）、光伏逆变器、电动汽车充电站等。

 

东芝也在不断扩大其功率器件产品线，强化生产设施，并通过提供易于使用的高性能功率器件，为中高功率密度应用赋能，努力实现碳中和经济。

 

 

 

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