将Schottky屏障二极管与SIC MOSFET集成的进步

时间:2025-03-20
     Sic Schottky二极管比标准硅P/N二极管具有许多优势。一个关键优势是缺乏反向发现损失,这可能会主导P/N二极管损失,尤其是在较高的温度,快速转换过渡和高流动应用下。除了增加开关损耗外,由于连接处的过量少数载体的存在引起的这种反向恢复还可以增加电压超冲压,这可能会在散落电感上施加限制,并挑战EMI滤波。
  这些二极管的构造本质上是一个较重的掺杂n+层上方的轻微掺杂的n层。 N –上的阳极金属触点用于创建Schottky连接点,该连接可能具有约1 V的典型转交向前电压液滴。SicSchottky二极管可市场可获得3.3 kV的评级,并且可以是在高电压电力交流中使用Silicon Igbts的自由轮二极管。
  SIC MOSFET的车身二极管可以具有以上2.5 V的典型转式电压,其中几家制造商的数据表格列出了额定的第三季度电流,列出了接近4 V的正向电压下降。这种高压下降直接导致自由转速操作期间更高的传导损失。同样,尽管SIC MOSFET的身体二极管受益于较小的载体寿命,因此比硅P/N二极管较低,但这些反向发现损失可能是在高温下快速转换操作下总切换损失的重要组成部分。
  SIC底物和EPI中存在的基底平面缺陷会导致身体二极管传导下的堆叠断层。这会随着时间的推移降低二极管的性能,并终导致设备故障。对于具有较厚EPI层的高压类设备,可以扩增这种潜在的可靠性故障机制。
  SIC MOSFET的身体二极管转机具有负温度系数,即在较高温度下传导更高。这可能会在第三季度传导下对并行操作放置约束,因为热失控的风险较高。
  反行SIC Schottky二极管的使用克服了上面列出的SIC MOSFET身体二极管的局限性。通常可以在减少传导和开关损耗中可以看到其使用的好处。由于SBD的转交压电压低,而死时间控制也可以更优化,更轻松地完成,而转式传导的正温系数使它们更易于平行。切换损失的改善伴随着警告,即在某些条件下,SBD的添加非线性电容实际上可以增加开关损失,尤其是在灯负载条件下。
  使用SIC MOSFET在转换器中使用抗平行SBD的主要局限性是这些设备的浪涌电流能力较低。这是由于这些单极设备的较高差异状态阻力引起的。相反,体内二极管中的电导率调节导致较低的差分电阻,尤其是在高电流下。在较高的温度下,这种效果可以放大。尽管在合并的PIN Schottky二极管中使用AP/N交界处,但可以减轻此问题,但单独的SBD的增加,包装和组装成本是另一个缺点。
  下面,我们讨论了集成的MOSFET/SBD设备,并提供了两个SIC制造商提出的上述限制的解决方案。
  集成的MOSFET/SBD
  东芝近宣布,它是用嵌入式SBD的1,200-V SIC MOSFET进行的。新的X5M007E120设备针对EV牵引逆变器应用程序。该设备在25°C的7.2MΩ上具有典型的状态电阻。由于存在SBD,在50 A的电流下仅在50 A的电流和175°C的温度下仅1.40 V。可用于容纳模具中SBD的有价值的MOSFET通道区域可降低该设备的特定电阻度量(R DS(ON) × DIE区域)。通过以检查模式安排SBD,该指标将提高20%至30%。该模式如图1所示。

 

  图1:在集成的SIC MOSFET中检查pattern SBD(来源:东芝电子和设备存储公司)使用此检查模式的改进的通道密度可使单极反向电流密度的两倍,这在MOSFET内的嵌入式SBD的条纹版本中可以看到。如图2所示。达到的特异性电阻为0.27Ω-mm 2,即使对于标准的1,200-V(即,非SBD)平面SIC MOSFET,竞争数字也是如此。

  

  图2:SIC MOSFET中使用检查模式的SBD的电流密度提高(来源:东芝电子和设备存储公司)短路承受能力是电力电子驾驶电动机的关键指标。硅IGBT在10-?s范围内具有非常健壮的短路承受时间(SCWT)。在过去的几年中,SIC MOSFET进行了许多SCWT的改进。东芝采用了深层P孔方案来改善该指标。 SCWT与设备的特定抗性成反比,低电阻结构可能需要快速传感才能在活动动力设备的短SCWT时间之前触发栅极驱动器。如图3所示,深层P孔屏障的使用改善了这种权衡。

  图3:SIC MOSFET中的深屏障集成SBD的SCWT改进(来源:东芝电子和设备存储公司)现在,让我们看一下嵌入式SIC SBD-MOSFET设备中电涌行为的改进。 2023年,三菱电气公司宣布了3.3 kV/800-A SIC Half-Bridge Power模块,FMF800DC-66 BEW。随后是400-A和200-A版本。 Unifull系列产品包括嵌入式SBD设备,以提高性能。这些模块针对大型工业设备,铁路牵引系统,发电和分销基础设施等。这些模块对这些模块的关键改进是即使存在SBD结构,也可以进行浪涌电流处理。
  在包含SBD的平行模块连接模块中,制造的略有变化有利于特定模具中的潮流浓度。制造过程中的这些小变化是不可避免的。一个例子是,如果与其他模具相比,SBD N阳极层周围的P层的宽度略大,从而导致P/N身体二极管激增在此模具中优先发生。这会造成热失控并损坏这一特定的模具,从而损害整个模块。三菱实施的解决方案是从每个模具中的单元单元中删除SBD。该单位单元可以占据总死亡的很小比例,例如1%。因此,对总体第三季度SBD传导的影响不受影响。


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