东芝在SiC和GaN的技术产品创新

作者：黄文源(东芝电子元件(上海)有限公司半导体技术统括部/技术企划部高级经理)时间：2023-10-17来源：电子产品世界收藏

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/202310/451621.htm

1 SiC、GaN相比传统方案的优势

虽然硅功率器件目前占据主导地位，但SiC（碳化硅）和GaN（氮化镓）功率器件正日益普及。SiC 功率器件具有出色的热特性，适用于需要高效率和高输出的应用，而GaN 功率器件具有出色的射频频率特性，能满足要求高效率和小尺寸的千瓦级应用。

最为重要的一点，SiC 的击穿场是硅的10 倍。由于这种性质，SiC 器件的块层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电阻和高击穿电压的开关器件。此外，SiC 的导热系数大约是硅的3 倍，因此它能提供更高的散热能力。由于这些物理特性，SiC 功率器件非常适合用于对功率损耗、击穿电压和散热有严格要求的应用。目前，SiC 器件的主要应用包括电动汽车充电站、光伏发电机、不间断电源和服务器电源等等。SiC 器件主要应用于开关频率为（10~100）kHz 和功率容量为（1~100）kW 的应用。对于电动汽车充电站而言，SiC MOSFET 主要用于三相有源功率因数校正电路和双向 DC-DC 转换器。而SiC BCD（肖特基势垒二极管）通常用于升压功率因数校正电路。

黄文源(东芝电子元件(上海)有限公司半导体技术统括部/技术企划部高级经理)

2 制约SiC解决方案推广的技术挑战

功率器件是管理各种电子设备电能、降低功耗以及实现碳中和社会的重要元器件。SiC 被广泛视为下一代功率器件的材料，因为SiC 相较于硅材料可进一步提高耐压并降低损耗。虽然SiC 材质的功率器件目前主要用于列车逆变器，但其今后的应用领域非常广泛，例如车辆电气化，工业设备小型化，光伏发电机、不间断电源和服务器电源等等。然而，可靠性问题却阻碍了SiC 器件的采用和市场增长。在SiC MOSFET反向导通动作时，如果体二极管双极性通电会使得导通电阻劣化，成为可靠性相关课题。

图1 东芝新型SiC MOSFET的结构

3 东芝的SiC MOSFET和GaN的解决方案

● 第三代SiC MOSFET 解决方案

东芝的新型SiC MOSFET 具有低导通电阻，显著降低了开关损耗，现在已经开发出具有低导通电阻、开关损耗大幅降低的SiC MOSFET，与第二代SiC MOSFET相比，新型产品的开关损耗约降低了20%。

东芝通过在第二代产品的SiC MOSFET 内部与PN二极管并联内置了一个肖特基势垒二极管（SBD）的结构成功解决了可靠性问题。但这又产生了一个新问题，当MOSFET 包含不作为MOSFET 工作的SBD 单元时，MOSFET 的性能会下降。具体而言，单位面积的导通电阻（RonA）以及代表导通电阻和高速的性能指标（R_on*Q_gd）都会增大。芯片面积增大以降低导通电阻（Ron），这又带来了进一步的问题——单位成本提高。

东芝目前研发的器件结构既能减小R_onA，又能包含SBD。目前，通过在SiC MOSFET 的p 型宽扩散区（p 阱）底部注入氮气，可减小扩散电阻（Rspread）并增大 SBD 电流。东芝还通过减小JFET 区和注入氮气，减小了反馈电容和JFET 电阻。因此，在未增大RonA的情况下减小了反馈电容。相较于第二代产品，这种器件结构的RonA 降低了43%，Ron*Qgd 降低了80%，（因导通和关断产生的）开关损耗约降低了20%。通过SBD 的位置优化还确保了稳定运行，不会出现 RonA波动。

在此基础上，东芝推出面向更高效工业设备的第三代 SiC MOSFET“TWxxNxxxC 系列”。

该系列产品包含1 200 V 和650 V 两种规格，该系列具有低导通电阻，可显著降低开关损耗。该系列10款产品包括5 款1 200 V 产品和5 款650 V 产品。东芝将进一步壮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，努力实现碳中和经济。

图2 RonA和Ron*Qgd 降低(东芝的测试结果)

● GaN 解决方案

东芝率先在GaN 器件上应用电流传感技术，实现了功率损耗更低、电流传感精度更高、电源系统体积更小的GaN 器件。东芝开发出全球首个集成于半桥（HB）模块的分流式MOS 电流传感器。当其用于GaN 功率器件等器件时，该传感器可使电力电子系统具有很高的电流监测精度，但功率损耗不会增加，并有助于减小此类系统和电子设备的尺寸。

全球推行碳中和，需要更高效的电子设备，尤其是小型的系统。然而，由于HB 模块和电流传感器必须安装在电感器的两侧，因此将他们集成在一块芯片上很困难。电流检测降低功耗（减少热量）的同时，也会降低的精度，因为这取决于分流电阻。虽然现今的技术可实现高精度电流传感器，但却无法降低损耗。

东芝的新技术采用级联共源共栅，将低压金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）与GaN 场效应晶体管相连用于电流传感，因此无需使用分流电阻，避免其产生功耗。此外，电路优化和尖端校准技术可保证10 MHz 以上的带宽，可提高产品性能及测量精度。集成到 HB 模块的这款新型IC 不仅提高了开关频率，还缩小了电容和电感的尺寸，有助于电子设备的小型话化。可提高功率转换器效率的功率半导体（包括GaN器件）是东芝的一大核心产品领域。东芝将通过尽快将这项新技术应用于功率半导体，确保相关产品尽早上市，为实现碳中和目标做出贡献。

图3 和图4 是东芝该项新技术的示意图，供参考。