Mitsubishi Electric разрабатывает SiC-MOSFET со встроенным SBD с новой структурой для силовых модулей

8 июня 2023 г.

Во время 35-го Международного симпозиума по силовым полупроводниковым приборам и интегральным схемам (ISPSD 2023) в Гонконге (28 мая – 1 июня) компания Mitsubishi Electric Corp из Токио разработала новую структуру полевого транзистора из карбида кремния металл-оксид-полупроводник. (SiC-MOSFET) со встроенным диодом с барьером Шоттки (SBD), который был применен в полностью SiC-силовом модуле FMF 800 DC-66 BEW 3,3 кВ для крупного промышленного оборудования, такого как железные дороги и системы питания постоянного тока. Отгрузка образцов началась 31 мая. Ожидается, что новая структура чипа поможет уменьшить размеры железнодорожных тяговых систем и т. д., а также сделать их более энергоэффективными и способствовать углеродной нейтральности за счет более широкого внедрения передачи энергии постоянного тока.

Силовые полупроводники SiC привлекают внимание своей способностью значительно снижать потери мощности. Mitsubishi Electric, которая в 2010 году выпустила на рынок силовые SiC-модули, оснащенные SiC-MOSFET и SiC-SBD, применяет силовые полупроводники SiC для различных инверторных систем, включая кондиционеры и железные дороги.

По сравнению с традиционным методом использования отдельных микросхем, микросхема, объединяющая SiC-MOSFET и SiC-SBD, может быть установлена ​​в модуль более компактно, что позволяет использовать меньшие модули, большую емкость и меньшие коммутационные потери. Ожидается, что он будет широко использоваться в крупном промышленном оборудовании, таком как железные дороги и электроэнергетические системы. До сих пор практическое применение силовых модулей со встроенными SBD SiC-MOSFET было затруднено из-за их относительно низкой способности выдерживать импульсные токи, что приводит к тепловому разрушению микросхем во время событий импульсных токов, поскольку импульсные токи в подключенных цепях концентрируются только в конкретных чипах.

В настоящее время Mitsubishi Electric разработала то, что, по ее утверждению, является первым механизмом, с помощью которого импульсный ток концентрируется на определенной микросхеме в параллельно соединенной структуре микросхемы внутри силового модуля, а также новую структуру микросхемы, в которой все микросхемы начинают получать питание одновременно, так что импульсный ток уменьшается. распределяется по каждому чипу. В результате мощность импульсного тока силового модуля была улучшена в пять или более раз по сравнению с существующей технологией фирмы, что равно или больше, чем у обычных кремниевых силовых модулей, что позволяет применять встроенный SBD. SiC-MOSFET в силовом модуле.

МОП-транзистор со встроенным SBD

В обычных силовых модулях SiC SiC-MOSFET используются для переключения, а SiC-SBD — для выпрямления, при этом две отдельно изготовленные микросхемы соединяются параллельно. И наоборот, SiC-MOSFET со встроенным SBD от Mitsubishi Electric (рис. 2) объединяет две микросхемы путем периодического формирования SiCSBD в элементарной ячейке SiC-MOSFET.

Технология, основанная на подтверждении причины импульсного тока на отдельных микросхемах

Обычно, когда импульсный ток протекает через несколько микросхем MOSFET со встроенными SBD, соединенных параллельно, импульсный ток концентрируется только на конкретной микросхеме, предотвращая достижение способности выдерживать импульсный ток, соответствующую количеству параллельных микросхем. Анализ физического моделирования и моделирования устройства теперь показал, что импульсный ток концентрируется на конкретном чипе, если размеры встроенного SBD этого чипа хоть немного отличаются от других чипов, что нередко приводит к тому, что этот конкретный чип инициирует поток импульсного тока до того, как другие чипы (рис. 3). Поскольку изменение размера должно быть очень незначительным, таких изменений практически невозможно избежать в обычных процессах производства микросхем.

Новая структура микросхемы одновременно подает питание на все микросхемы, соединенные параллельно.

Чтобы предотвратить концентрацию импульсного тока на отдельных микросхемах, Mitsubishi Electric разработала новую структуру микросхемы, в которой встроенный SBD не размещается в элементарной ячейке, занимающей менее 1% общей площади микросхемы. Эта элементарная ячейка имеет структуру, которая позволяет импульсному току течь быстрее, чем другие элементарные ячейки с SBD, и на нее не влияют изменения размеров из-за отсутствия SBD. Таким образом, импульсный ток может начать запитываться одновременно в соответствующих элементарных ячейках всех кристаллов без SBD. Кроме того, поскольку импульсный ток снижает сопротивление окружающего SiC, возбуждение импульсного тока также запускается в окружающих элементарных ячейках, где импульсный ток возбуждается, в результате цепной реакции. Это явление приводит к тому, что импульсный ток распространяется по всей площади кристалла, начиная с элементарной ячейки, где SBD отсутствует. Следовательно, импульсный ток распределяется по всем площадям всех микросхем, предотвращая термический пробой микросхемы из-за концентрации импульсных токов на конкретной микросхеме, тем самым повышая устойчивость к импульсным токам (рис. 4).

Улучшенная устойчивость к импульсному току позволяет использовать силовой модуль SiC-MOSFET со встроенным SBD.

Используя новую структуру чипа, способность SiC-MOSFET со встроенным SBD при параллельном соединении по току выброса была улучшена более чем в пять раз по сравнению с существующей технологией фирмы, что равно или больше, чем у широко используемых традиционных кремниевых источников питания. модули.

Кроме того, из-за цепной реакции импульсных токов для элементарной ячейки без встроенного SBD достаточно небольшой доли (менее 1%) общей площади кристалла, и это не влияет на такие характеристики силового модуля, как низкая Сопротивление во включенном состоянии и низкие коммутационные потери за счет уменьшенной площади встроенного SBD. В результате микросхемы могут быть соединены параллельно, что является требованием для силовых модулей, предназначенных для приложений с высокой мощностью, таких как железные дороги и системы электроснабжения, что позволяет использовать SiC-MOSFET со встроенным SBD в силовых модулях.

Mitsubishi Electric отгрузит образцы модуля SiC MOSFET на 3,3 кВ со встроенным SBD

SiC силовые модули Мицубиси Электрик

www.ispsd2023.com

www.MitsubishiElectric.com/semiconductors