【上海电力电子展】论文——针对大功率应用的高性能第2代1700V 4H-SiC MOSFET

上海国际电力元件、可再生能源管理展览会将于2020年7月1-3日在上海世博展览馆隆重举行，邀您关注今日上海电力电子展新资讯：

针对大功率应用的高性能第2代1700V 4H-SiC MOSFET

K. Hamano, Y.Oritsuki, T. Tanioka,

N.Hanano, M. Imaizumi, E. Suekawa,

M. Tarutani, Y.Miyazaki

三菱电机功率器件制作所

摘 要

       三菱电机全新1700V 4H-SiC MOSFET采用了三菱电机第2代MOS元胞结构，并在全新的6英寸SiC晶圆生产线进行生产制造。全新MOSFET芯片的Ron,sp在25°C时为5.8mΩ·cm2，175°C时仅为11.2mΩ·cm2，且电流能力在100A以上。MSOFET的内部电容参数适用于高频率运行。基于全新SiC-MOSFET芯片我们设计了额定电压1700V功率模块，并对其进行了评估。该模块的开关特性测试结果显示其在漏极电流300A下具有很低的Eon和Eoff，分别为12.0 mJ/pulse及3.0 mJ/pulse。因而，MOSFET芯片及其模块适用于多种功率系统。

       1、简 介

       就改善电力电子系统的性能而言，SiC MOSFET非常有潜力。目前已经在诸多应用中验证了其在节能和小型化等方面的优势与实际效益[1-5,8-11]。三菱电机近期发布了额定电压600V及1200V的第2代平面型SiC MOSFET产品，并展示了其卓越的静态特性和动态特性[6,7]。本文将对额定电压1700 V的第2代平面型SiC MOSFET的相关特性进行介绍说明，该SiC MOSFET在三菱电机全新的6英寸SiC晶圆生产线上生产加工。此外，文中还将给出基于全新SiC MOSFET芯片开发的1700V/300 A功率模块的部分特性。

       2、1700V SiC-MOSFET 芯片

       2.1

       MOS元胞结构

       全新1700V SiC MOSFET芯片结构剖面图如图1所示。针对高频应用，进行了全新元胞设计，使其具有低Ron.sp和低开关损耗的特性。全新SiC MOSFET设计中还采用了n型JFET掺杂结构，能够有效降低MOSFET导通电阻，而且JFET掺杂所带来的优势在更高阻断电压的MOSFET中更为明显。全新SiC MOSFET基于6英寸4H-SiC外延片制造，并在三菱电机全新的6英寸SiC晶圆生产线上进行生产。

图1 1700V SiC-MOSFET结构剖面图

       2.2

       静态特性

       全新1700V SiC MOSFET采用VGS=+15V导通状态的设计，图2给出了其典型输出特性。全新芯片在ID=100A时Ron,sp在25°C时为5.8mΩ·cm2，而在175°C时为11.2mΩ·cm2。

图2 全新1700 V SiC MOSFET典型输出特性

图3 全新1700V SiC MOSFET Vth的温度特性

图4 全新1700V SiC MOSFET Ron,sp的温度特性

图5 全新1700V SiC MOSFET内部电容与VDS典型关系曲线

       全新SiC MOSFET芯片通流能力高达100A，并具有较低导通电压。图3给出了1700V SiC MOSFET在漏极电流100 mA/cm2时Vth温度特性，Vth在25°C和175°C时分别为2.5V和1.7V。即使在175°C的温度下，Vth也能保持在1.5V及以上。Ron,sp与Vth之间存在折衷关系，因此我们重新设计了MOSFET结构，以使在栅极截止电压下避免误动作的Vth与低Ron,sp兼容。图4给出了1700V SiC MOSFET Ron,sp的温度特性，可以看出Ron,sp具有正温度特性，意味着该MOSFET在高温下能够稳定运行。在25°C下采用频率100kHz的小电压信号测量了MOSFET内部电容与VDS的关系，测试结果如图5所示。通过改进单元结构，尤其是采用JFET掺杂设计，可以获得相对较大的Ciss/Crs值，进而能够防止功率模块在高速开关时上下臂直通带来的电流击穿现象。

       3、1700V SiC MOSFET 模块

       采用前面所提到的1700V SiC MOSFET芯片设计了1700V/300A半桥功率模块，其内部电路如图6所示。由于SiC MOSFET在Ron,sp和短路耐量之间有折衷关系，因此我们采用了RTC电路来保护功率芯片作为应对方案。当检测到过电流时，RTC电路立即降低栅极电压，从而相应地减小漏极电流。这种保护方法使我们能够安全地应用短路耐量相对较小的SiC MOSFET。在保护过程中需要快速检测过电流，因此我们在MOSFET芯片上设计了电流检测区。这款全新开发的带有RTC电路的SiC MOSFET模块能够有效提高系统性能。图7给出了其开关损耗与漏极电流ID的关系曲线，从中可以看出Eon随着漏极电流增加而呈线性增长，而Eoff在漏极电流150A之前保持平坦且在150A以后逐渐增加。图8给出了模块开关损耗与外部栅极电阻RG关系曲线。可以看出，Eon和Eoff都与RG线性相关，并且在小RG值下非常低。

       漏极电流为300A时，全新1700V/300A SiC MOSFET模块在150°C下的VDS(on)为2.75V。在漏极电流为300A，150°C及VDD=900V且栅极电阻为1.6mΩ时，其Eon和Eoff分别为12.0mJ/pulse和3.0mJ/pulse。与以往报道过的相近规格模块相比，该MOSFET模块的VDS(on)和开关损耗是最低的。

图6 1700V SiC MOSFET模块内部电路图

图7 1700V SiC MOSFET模块开关损耗与ID的关系曲线

图8 1700V SiC MOSFET模块开关损耗与RG的关系曲线

       4、结 论

       本文介绍了三菱电机全新1700 第2代SiC MOSFET芯片的静态特性以及基于该SiC MOSFET芯片开发的功率模块的动态特性。全新SiC MOSFET具有Ron,sp极低的特性，其在25°C下为5.8mΩ·cm2，在175°C时也仅为11.2mΩ·cm2。从开关特性测试结果可以看出，即使在300A的漏极电流下，1700V SiC MOSFET模块的Eon和Eoff分别仅为12.0mJ/pulse与3.0mJ/pulse，非常适用于各种功率系统并大幅提高系统性能。

7月1至3日 PCIM Asia 2020

July 1-3

三菱电机 D 09

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>> 参考文献

[1] M. Imaizumi, S. Hasegawa, H.Sumitani, M. Iwasaki, S. Hino, T. Watanabe, K. Hamada, N. Miura, S. Nakata, andS. Yamakawa, “Remarkable advances in SiC power device technology for ultra highpower systems”, in IEDM Tech. Dig., 6.5.1- 6.5.4, 2013.
[2] K.Hamada, N. Miura, S. Hino, T. Kawakami, M. Imaizumi, H. Sumitani and T. Oomori,”investigation of Cell Structure and Doping for Low-On-Resistance SiCMetal–Oxide– Semiconductor Field Effect Transistors with Blocking Voltage of3300 V”, Jpn. J. Appl. Phys., vol. 52, 04CP03, 2013.
[3] M. Imaizumi and N. Miura, “Characteristicsof 600 V, 1200 V and 3300 V planar SiC-MOSFETs for energy conversionapplications”, IEEE Trans. Electron Devices, vol. 62, No. 2, pp. 390-395, 2015.
[4] YZ. Wang, K. Watabe, S. Sakai,T. Tanioka, “New Transfer Mold DIPIPMTM utilizing silicon carbide (SiC) MOSFET”, PCIM Europe2016, pp.336-341, 2016.
[5] T. Negishi, R. Tsuda, K. Ota,S. Iura, H. Yamaguchi, “3.3-kV All-SiC Power Module for Traction SystemUse”, PCIM Europe2017, pp. 51-56, 2017.
[6] Y. Ebiike, T. Tanioka, M.Furuhashi, A. Osawa, M. Imaizumi, “Characteristics of High-Threshold- VoltageLow-Loss 4H-SiC MOSFETs with Improved MOS Cell Structure”, Materials ScienceForum, vol. 858, pp. 829-832 2016.
[7] T. Tanioka, Y. Ebiike, Y.Oritsuki, M. Imaizumi, M.Tarutani, “High Performance 4H-SiC MOSFETs withOptimum Design of Active Cell and Re- oxidation Process”, PCIM Europe 2018, pp.879- 884 2018.
[8] Mitsubishi electriccorporation, URL: http://www.mitsubishielectric.co.jp/news/2013/1225. html
[9] Mitsubishi electriccorporation, URL: http://www.mitsubishielectric.co.jp/news/2014/0724.html
[10 Mitsubishi electric corporation,URL: http://www.mitsubishielectric.co.jp/news/2016/0810.html
[11] Mitsubishi electriccorporation, URL:
http://www.mitsubishielectric.co.jp/news/2018/0131-a.html

文章来源：《三菱电机半导体》公众号

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