В последние годы распространение электромобилей нового поколения (xEV) ускорило разработку более компактных, легких и эффективных электрических систем. В частности, повышение эффективности и уменьшение размеров основного инвертора, играющего центральную роль в системе привода, остается одной из наиболее важных задач и требует дальнейшего совершенствования силовых устройств.
Емкость бортовых аккумуляторов увеличивается для повышения дальности хода электромобилей. Параллельно с этим развивается использование высоковольтных (800 В) аккумуляторов, чтобы удовлетворить спрос на сокращение времени зарядки.
Для решения столь разнообразных задач разработчикам срочно необходимы силовые SiC-транзисторы, способные выдавать высокое, бесперебойное напряжение с низкими потерями. Компания ROHM, пионер в области SiC, начала массовое производство SiC MOSFET в 2010 году, заняв лидирующие позиции в отрасли. С самого начала ROHM постоянно расширяла свой обширный ассортимент продукции, включая изделия, соответствующие стандарту AEC-Q101, что позволило компании занять значительную долю рынка в секторе автомобильных бортовых зарядных устройств (OBC).
В случае силовых полупроводников часто приходится идти на компромисс между более низким сопротивлением в открытом состоянии и временем работы при коротком замыкании, что необходимо для достижения баланса и, как следствие, более низкого сопротивления в открытом состоянии в SiC MOSFET. Компания ROHM успешно улучшила этот компромисс, снизив сопротивление в открытом состоянии на единицу площади на 40% по сравнению с традиционными изделиями, без ущерба для времени работы при коротком замыкании, за счет дальнейшего усовершенствования оригинальной двухканальной структуры. Кроме того, значительное снижение паразитной емкости (проблема, возникающая во время переключения) позволяет снизить потери при переключении на 50% по сравнению с предыдущим поколением SiC MOSFET.
В результате, новые SiC MOSFET-транзисторы 4-го поколения от ROHM обеспечивают низкое сопротивление в открытом состоянии и высокую скорость переключения, что способствует дальнейшей миниатюризации и снижению энергопотребления в широком спектре применений, включая автомобильные инверторы и импульсные источники питания. Образцы микросхем в неупакованном виде доступны с июня 2020 года, а специальные корпуса будут предложены в ближайшем будущем.
В качестве следующего шага компания ROHM намерена и дальше расширять свой ассортимент силовых устройств на основе SiC, сочетая технологии модульного проектирования с периферийными устройствами, такими как интегральные схемы управления, разработанные для максимальной производительности и содействия техническим инновациям в автомобилях следующего поколения. Одновременно ROHM будет предлагать решения для решения задач клиентов, включая веб-инструменты моделирования, которые сокращают время разработки приложений и помогают избежать проблем с оценкой.
Основные характеристики
1) Усовершенствованная траншейная структура обеспечивает самое низкое сопротивление проводимости в отрасли.
В 2015 году компания ROHM начала серийное производство первых в отрасли SiC MOSFET-транзисторов траншейного типа, используя оригинальную структуру. Теперь ROHM успешно снизила сопротивление проводимости на 40% по сравнению с традиционными продуктами без ущерба для времени работы при коротком замыкании, а также дополнительно усовершенствовала свою оригинальную двухтраншейную структуру.
(Рис. 1)
2) Снижение потерь при переключении за счет значительного уменьшения паразитной емкости.
Как правило, более низкое сопротивление в открытом состоянии и более высокие токи приводят к увеличению различных паразитных емкостей в MOSFET, что может препятствовать присущим SiC характеристикам высокоскоростного переключения.
Однако ROHM удалось добиться снижения потерь при переключении на 50% по сравнению с традиционными продуктами за счет значительного уменьшения емкости затвор-сток (Cgd).
(Рис. 2)
Краткий обзор терминологии: Металл-оксид-полупроводниковые полевые транзисторы (MOSFET) — наиболее распространенная структура в полевых транзисторах. Они часто используются в качестве переключающих элементов.
Время, необходимое для работы в режиме короткого замыкания, указывает на время, за которое MOSFET выходит из строя из-за короткого замыкания. Как правило, при коротком замыкании протекает большой ток, превышающий максимальную пропускную способность. Это может привести к аномальному выделению тепла, тепловому разгону и, в конечном итоге, к разрушению. Более длительное время работы в режиме короткого замыкания достигается за счет повышения производительности, например, за счет увеличения сопротивления в открытом состоянии.
Двойная траншейная структура (траншейная):
это оригинальная траншейная структура ROHM. Хотя использование траншейной структуры для SiC MOSFET доказало свою эффективность в снижении сопротивления в управляющем слое, было необходимо уменьшить электрическое поле, генерируемое в траншейной части затвора, чтобы обеспечить долговременную надежность устройства. В ответ на это ROHM внедрила уникальную двойную траншейную структуру, которая минимизирует концентрацию электрического поля, что позволило ей стать первым поставщиком, начавшим массовое производство SiC MOSFET траншейного типа в 2015 году.
Паразитная емкость — это собственная емкость, возникающая из-за физической структуры электронных компонентов. В случае MOSFET имеется емкость затвор-исток (Cgs), емкость затвор-сток (Cgd) и емкость сток-исток (Cds). Cgs и Cgd определяются емкостью оксидной пленки затвора, а Cds — это паразитная емкость перехода диода.
Траншейная структура:
Слово «траншея» обозначает узкую выемку или канавку. Такая конструкция предполагает формирование канавки на поверхности чипа и затвора на боковой стенке MOSFET. В отличие от планарного MOSFET, резисторы в JFET отсутствуют, что позволяет создать более тонкую структуру, чем планарные топологии, и обеспечивает сопротивление в открытом состоянии, близкое к характеристикам исходного материала SiC.
