Die zunehmende Verbreitung von Elektrofahrzeugen der nächsten Generation (xEVs) hat in den letzten Jahren die Entwicklung kleinerer, leichterer und effizienterer elektrischer Systeme beschleunigt. Insbesondere die Verbesserung des Wirkungsgrades und die Verkleinerung des Hauptwechselrichters, der eine zentrale Rolle im Antriebssystem spielt, stellen nach wie vor eine der größten Herausforderungen dar und erfordern weitere Fortschritte bei Leistungshalbleitern.
Die Kapazität der Bordbatterien wird erhöht, um die Reichweite von Elektrofahrzeugen zu verbessern. Parallel dazu schreitet auch der Einsatz von Hochvoltbatterien (800 V) voran, um der Nachfrage nach kürzeren Ladezeiten gerecht zu werden.
Um diesen vielfältigen Herausforderungen zu begegnen, benötigen Entwickler dringend SiC-Leistungshalbleiter, die hohe, unterbrechungsfreie Spannungen bei geringen Verlusten liefern können. ROHM, ein Pionier im Bereich SiC, begann 2010 mit der Serienproduktion von SiC-MOSFETs und positionierte sich damit an der Spitze der Branche. Von Beginn an hat ROHM sein umfangreiches Produktportfolio um AEC-Q101-qualifizierte Produkte erweitert und so einen bedeutenden Marktanteil im Bereich der On-Board-Ladegeräte (OBC) für die Automobilindustrie erreicht.
Bei Leistungshalbleitern besteht häufig ein Zielkonflikt zwischen niedrigem Einschaltwiderstand und Kurzschlussfestigkeit. Um ein optimales Verhältnis zu erreichen und somit den Einschaltwiderstand von SiC-MOSFETs zu senken, ist dies notwendig. ROHM hat diesen Zielkonflikt erfolgreich verbessert und den Einschaltwiderstand pro Flächeneinheit im Vergleich zu herkömmlichen Produkten um 40 % reduziert, ohne die Kurzschlussfestigkeit zu beeinträchtigen. Dies wurde durch die weitere Optimierung einer eigens entwickelten Doppelgrabenstruktur erreicht. Darüber hinaus ermöglicht die signifikante Reduzierung der parasitären Kapazität (ein Problem, das beim Schalten auftritt) eine um 50 % geringere Schaltverlustrate im Vergleich zu unserer vorherigen SiC-MOSFET-Generation.
Die neuen SiC-MOSFETs der 4. Generation von ROHM zeichnen sich durch niedrigen Einschaltwiderstand und hohe Schaltgeschwindigkeit aus. Dies trägt zur weiteren Miniaturisierung und zum geringeren Stromverbrauch in einer Vielzahl von Anwendungen bei, darunter Kfz-Wechselrichter und Schaltnetzteile. Ungekapselte Chipmuster sind seit Juni 2020 erhältlich; spezifische Gehäuse werden in Kürze verfügbar sein.
Als nächsten Schritt will ROHM sein Angebot an SiC-Leistungshalbleitern weiter ausbauen und Modularisierungstechnologien mit Peripheriegeräten wie integrierten Steuerschaltungen kombinieren, um die Leistung zu maximieren und zur technischen Innovation in Fahrzeugen der nächsten Generation beizutragen. Gleichzeitig bietet ROHM Lösungen für die Herausforderungen seiner Kunden, darunter webbasierte Simulationstools, die die Anwendungsentwicklungszeit verkürzen und Evaluierungsprobleme vermeiden helfen.
Hauptmerkmale
1) Die verbesserte Grabenstruktur bietet den branchenweit niedrigsten Leitwiderstand.
2015 begann ROHM mit der Serienproduktion der branchenweit ersten SiC-MOSFETs in Grabenbauweise mit einer eigens entwickelten Struktur. ROHM konnte den Leitwiderstand im Vergleich zu herkömmlichen Produkten um 40 % reduzieren, ohne die Kurzschlussfestigkeit zu beeinträchtigen, und hat seine ursprüngliche Doppelgrabenstruktur weiter optimiert.
(Abb. 1)
2) Geringere Schaltverluste durch signifikante Reduzierung der parasitären Kapazität.
Im Allgemeinen führen niedrigere Einschaltwiderstände und höhere Ströme zu einer Erhöhung der verschiedenen parasitären Kapazitäten in MOSFETs, was die inhärenten Hochgeschwindigkeitsschalteigenschaften von SiC beeinträchtigen kann.
ROHM konnte jedoch im Vergleich zu herkömmlichen Produkten 50 % geringere Schaltverluste erzielen, indem die Gate-Drain-Kapazität (Cgd) signifikant reduziert wurde.
(Abb. 2)
Terminologie im Überblick: Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (MOSFETs) sind die am häufigsten verwendete Struktur in FETs. Sie werden oft als Schaltelemente eingesetzt.
Die Kurzschlussfestigkeit gibt die Zeit an, die ein MOSFET benötigt, um aufgrund eines Kurzschlusses auszufallen. Typischerweise fließt bei einem Kurzschluss ein hoher Strom, der die maximale Belastbarkeit überschreitet. Dies kann zu übermäßiger Wärmeentwicklung, thermischem Durchgehen und letztendlich zur Zerstörung führen. Eine längere Kurzschlussfestigkeit geht mit besseren Leistungseigenschaften, wie beispielsweise einem höheren Durchlasswiderstand, einher.
Doppelgrabenstruktur (Graben):
Dies ist die von ROHM entwickelte Grabenstruktur. Obwohl sich die Verwendung einer Grabenstruktur für SiC-MOSFETs als wirksam zur Reduzierung des Einschaltwiderstands erwiesen hat, war es notwendig, das im Gate-Bereich des Grabens erzeugte elektrische Feld zu minimieren, um die Langzeitstabilität des Bauelements zu gewährleisten. Daher entwickelte ROHM eine einzigartige Doppelgrabenstruktur, die die elektrische Feldkonzentration minimiert und es dem Unternehmen ermöglichte, 2015 als erster Hersteller SiC-MOSFETs in Grabenbauweise in Serie zu produzieren.
Parasitäre Kapazität ist die inhärente Kapazität, die durch die physikalische Struktur elektronischer Bauelemente entsteht. Bei einem MOSFET gibt es die Gate-Source-Kapazität (Cgs), die Gate-Drain-Kapazität (Cgd) und die Drain-Source-Kapazität (Cds). Cgs und Cgd werden durch die Kapazität des Gate-Oxidfilms bestimmt, während Cds die parasitäre Sperrschichtkapazität der Diode darstellt.
Grabenstruktur:
Der Begriff „Graben“ bezeichnet eine schmale Vertiefung oder Nut. Bei dieser Konstruktion wird eine Nut in die Chipoberfläche eingebracht und das Gate in die Seitenwand des MOSFET integriert. Im Gegensatz zu einem planaren MOSFET benötigen JFETs keine Widerstände, was eine dünnere Struktur als bei planaren Topologien ermöglicht und zu einem Durchlasswiderstand führt, der nahezu dem des ursprünglichen SiC-Materials entspricht.
