作者： 三菱電機功率器件制作所 T. Murakami K. Sadamatsu M. Imaizumi E. Suekawa
三菱電機先端技術研究中心 S.Hino
三菱電機先端技術研究中心 S.Hino
三菱電機持續(xù)不斷地對集成SiC SBD（Schottky Barrier Diode）的SiC MOSFET芯片進行研發(fā)，MOSFET與SBD集成在同一芯片上，可以省掉續(xù)流二極管并使模塊避免雙極性電流引起的退化。本文對3.3kV集成SiC SBD的SiC MOSFET電氣特性進行了研究并和傳統(tǒng)3.3kV SiC MOSFET進行了對比。其主要電氣參數(shù)例如JDS-VDS、擊穿特性以及開關波形都沒有明顯的區(qū)別，這意味著使用集成SBD的SiC MOSFET技術障礙很小。已經(jīng)取得的研究結果表明，集成SiC SBD的SiC MOSFET在下一代高壓SiC功率模塊上有很好的應用前景。
1 引言
三菱電機已經(jīng)成功地實現(xiàn)了3.3kV全SiC功率模塊商業(yè)化，該模塊采用傳統(tǒng)的SiC MOSFET和反并聯(lián)SBD，應用在鐵道牽引變流器上[1,2]。下一步，我們正在為下一代3.3kV SiC模塊開發(fā)集成SBD的MOSFET[3,4]。與傳統(tǒng)SiC MOSFET相比，集成SBD的SiCMOSFET可以省掉功率模塊內(nèi)部的續(xù)流二極管，避免SiC MOSFET的體二極管電流導致的雙極退化。本文對傳統(tǒng)SiC MOSFET和集成SBD的SiCMOSFET的電氣特性進行了對比研究，結果表明集成SBD的SiCMOSFET在下一代3.3kV全SiC功率模塊上有很好的應用前景。
2 MOSFET結構
圖1為3.3kV傳統(tǒng)SiC MOSFET和集成SBD的SiC MOSFET芯片截面圖。對于集成SBD的SiC MOSFET，其MOS元胞內(nèi)嵌入了電流反向流過的SBD電極。合理的集成SBD設計可以完全抑制雙極性電流，并減小漏電流。為了進行對比，我們制作了相同有效面積的傳統(tǒng)SiC MOSFET和集成SBD的SiCMOSFET芯片。
圖1 傳統(tǒng)MOSFET和集成SBD的MOSFET截面圖
3 參數(shù)對比
3.1 靜態(tài)參數(shù)
圖2為傳統(tǒng)SiC MOSFET與集成SBD的SiC MOSFET在175℃條件下正向特性參數(shù)的對比。圖中展示了在不同柵極電壓條件下的JDS-VDS曲線，其導通電阻比傳統(tǒng)SiC MOSFET稍微高一些，這是因為在相同的有效面積下，與傳統(tǒng)SiC MOSFET相比，集成SBD的SiC MOSFET的MOS溝道寬度要小一些。應該注意的是集成SBD的SiC MOSFET通態(tài)電阻的增加相對較小，這是因為肖特基端有較高的通流能力，使得SBD的面積相對很小。圖3為傳統(tǒng)SiC MOSFET與集成SBD的SiC MOSFET在結溫175℃和柵極反向偏置條件下反向導通特性的對比，因為結電場分布不同，兩條JSD-VSD曲線具有不同的拐點電壓。由于兩種載流子參與導電，傳統(tǒng)SiC MOSFET的反向導通電阻變化很小。
圖2 正向導通特性（175℃）
圖3 反向導通特性（175℃，VGS=-7V）
圖4為傳統(tǒng)SiC MOSFET在結溫175℃和柵極正向偏置條件下的反向導通曲線。因為集成SBD的SiC MOSFET反向導通電流是MOSFET溝道與SBD之和，所以反向電流密度JSD對柵極電壓的依賴性相對較小。圖5為傳統(tǒng)SiC MOSFET與集成SBD的SiC MOSFET在25℃條件下?lián)舸┨匦詫Ρ龋梢钥闯黾蒘BD的SiC MOSFET漏極漏電流被很好地抑制，幾乎與傳統(tǒng)SiC MOSFET在同一水平。
圖4 反向導通特性（175℃，VGS=0~17V）
圖5 擊穿特性（25℃，VGS=-10V）
圖6為傳統(tǒng)SiC MOSFET與集成SBD的SiC MOSFET在頻率100kHz、溫度為25℃條件下極間電容與VDS之間的關系曲線。對于輸入電容（Ciss）和反饋電容（Crss）, 傳統(tǒng)SiC MOSFET高于集成SBD的SiC MOSFET，這是由多晶硅電極側和JFET的表面密度差異造成的。對于輸出電容（Coss）, 集成SBD的SiC MOSFET高于傳統(tǒng)SiC MOSFET，這是因為集成SBD的MOSFET Coss值為傳統(tǒng)SiC MOSFET與SBD的Coss之和。
圖6 極間電容VS VDS（25℃，100kHz）
3.2 動態(tài)參數(shù)
圖7和圖8是利用雙脈沖測試法在175℃下測得的開關波形，圖9為測試電路。在測試中，VDD設置在1800V，VGS設置為-7/17V。通過調(diào)整外部柵極電阻使di/dt保持一致，測得的傳統(tǒng)SiC MOSFET與集成SBD的SiC MOSFET的開關波形幾乎一致。傳統(tǒng)SiC MOSFET與集成SBD的SiCMOSFET開通損耗（Eon）分別為22mJ/pulse和21mJ/pulse，關斷損耗（Eoff）則分別為7.6mJ/pulse和6.0mJ/pulse。
圖7 開通波形(175℃，SBD作為續(xù)流二極管)
圖8 關斷波形(175℃，SBD作為續(xù)流二極管)
圖9 開關測試電路
圖10和圖11為集成SBD的SiC MOSFET Eon和Eoff與柵極電阻之間的關系曲線，其Eon和Eoff隨著柵極電阻的降低而線性降低。圖12為傳統(tǒng)SiC MOSFET模塊與集成SBD的SiC MOSFET模塊在175℃條件下的反向恢復電流波形對比，波形上沒有明顯的差異。此外，如文獻5所述，傳統(tǒng)SiC MOSFET的體二極管會參與工作，而集成SBD的SiC MOSFET反向恢復為單極性電流特性，因此集成SBD的SiC MOSFET可以降低反向恢復損耗。
圖10 Eon與柵極電阻的關系圖（Tj=175℃）
圖11 Eoff與柵極電阻的關系
圖12 反向恢復電流波形
4 結論
本文就3.3kV集成SBD的SiC MOSFET和傳統(tǒng)SiC MOSFET的電氣特性做了對比。如表1所示，兩者的電氣特性沒有明顯的差異。由于集成SBD的SiC MOSFET不會發(fā)生雙極退化，因此在下一代高壓SiC功率模塊上有很好的應用前景。
表1 傳統(tǒng)MOSFET與集成SBD的SiC MOSFET參數(shù)對比
參考文獻
[1] http://www.mitsubishielectric.co.jp/news/2014/0430.html
[2] K.Hamada, et al., “3.3kV/1500A power modulesfor the world’s first all-SiC traction inverter”, Jpn. J.Appl. Phys. 54 (2015)04DP07.
[3] S.Hino, et al., “Demonstration of SiC-MOSFETEmbedding Schottky Barrier Diode for Inactivation of Parasitic Body Diode”,Materials Science Forum, vol.897 (2017) pp.477-482.
[4] T.Tominaga, et al., “Superior Switchingcharacteristics of SiC-MOSFET embedding SBD”, ISPSD 2019, pp.27-30.
[5] T.Tominaga, et al., “Investigation on theEffect of Total Loss Reduction of HV Power Mpdule by using SiC-MOSFET EmbeddingSBD”, ICSCRM 2019, Mo-P-43.
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