シリコンカーバイド (SiC) スイッチは、サイズ、重量、効率の面で電力コンバータを差別化する上でますます重要になっています。SiCの専用の材料特性により、電荷変調IGBTデバイスの代わりに少数キャリアのないユニポーラ デバイスの設計が可能になります。そのため、最高の効率、より高いスイッチング周波数、低い放熱、省スペースが実現され、その結果、全体的なコストの削減にもつながります。静的および動的パフォーマンスに加えて、より大容量のインバーターの使用に備えるには、さらなる課題に対処する必要があります。適切なゲート酸化膜の信頼性は必須であり、十分なしきい値電圧とアプリケーション指向の短絡耐性も必須です。ターンオン時にVGS = 15Vを使用するIGBT互換駆動により、IGBTからSiC MOSFETソリューションへの移行が簡素化されます。これらのトピックは、新しい1200V CoolSiCで対処されます™ InfineonのMOSFET。
導入
ブロッキング電圧が1200VのSiC MOSFETは、太陽光コンバータ、UPS、バッテリー充電器、産業用ドライブなどのアプリケーション分野で興味深いものです。これらのアプリケーションは、スイッチング損失と伝導損失の削減によるメリットが得られます。熱予算をシフトしてスイッチング周波数を高め、受動部品の物理的サイズを縮小し、冷却の労力、重量、コストを最小限に抑えることができます。
クールSiC™ トレンチMOSFET設計は、オン状態とオフ状態のゲート酸化物内の電界を制限するために開発されました。1200 Vクラスの魅力的な比オン抵抗が提供され、大量生産でも安定して再現可能な方法で実現できます。低オン抵抗は、Vの低電圧レベルですでに達成されている。 GS = 15V。
ゲート-ソース-しきい値電圧は4Vでベンチマークされます。これらの境界条件は、産業用、さらには自動車用アプリケーションで期待されるFITレートを保証するために、シリコン パワー半導体の世界で確立された品質保証方法論を移転するためのベースラインです。
形。1: CoolSiC™ MOSFETリード製品概要
高速スイッチングIGBTとSiCトランジスタの場合、パッケージの設計は同様に重要です。
利用可能なパワーモジュール プラットフォームを見ると、一部のパッケージは高速スイッチングSiCデバイスに非常に有利です。浮遊インダクタンスは可能な限り低くする必要がありますが、それに加えて、高度に対称的な設計も必要です。
たとえば、Easy-Moduleプラットフォームは、この用途に最適です。.ベースプレートを備えたよく知られた標準パッケージとは対照的に、Easy-Moduleプラットフォームでは、対称性が高く、誘導性の低い設計を構築できます。このため、人気があり柔軟性の高いEasy1B電源モジュールを使用して、太陽光発電、電気自動車の充電、無停電電源装置向けに最適化された初のSiCハーフブリッジおよびブースター ソリューションを実装します。
Easyモジュールの柔軟なピン グリッドにより、PCBレイアウトが簡素化され、浮遊インダクタンスが10 nH未満になります。これは、EconoDUAL™ や標準のSIXPACK設計などの既存のソリューションと比較して、70 ～ 80% の大幅な改善です。これは、電源モジュール設計における貴重なステップを表しています。
図1は、主要製品の概要を示しています。リストされている製品は、CoolSiC™ MOSFET製品の幅広く最適化されたポートフォリオの第一歩に過ぎず、現在さらにデバイスが開発中です。
デバイス設計哲学
SiC-MOSFETのスイッチング損失は通常非常に低く、特に温度にほとんど依存しません。高度な設計活動では、特定のテクノロジーの主要なベンチマーク パラメータとして、領域固有のオン抵抗に重点が置かれます。4H-SiCベースのプレーナーMOSFETでは、伝導帯に近い非常に高い界面トラップ密度に対処する必要があります。これにより、チャネルの移動性が非常に低くなり、したがってチャネルが総オン抵抗に大きく寄与することになります。高い欠陥密度は、SiC-MOSFETベースのデバイスのさまざまな特性に反映されています。このジレンマを克服する方法として観察されているのは、オン状態の酸化物に適用される電界を、シリコンベースのMOSFETデバイスで通常使用される値を超えて増加させることです。オン状態の酸化物におけるこのような高い電界は、摩耗を加速させる可能性があります。これは、特にSiC基板の欠陥密度が高いことに関連して、長期的な信頼性のリスクとして考えられます。
これらの考慮に基づくと、SiCの平面MOSFETデバイスには、図2の左側に示すように、酸化物電界ストレスに関して実際に2つの敏感な領域があることは明らかです。
形。2: 左側: 酸化物電界ストレスに関して2つの敏感な領域を示す平面MOSFETの一般的な構造。右側部分: トレンチMOSFETの一般的な構造。重要な問題は、トレンチのコーナーにおける酸化膜の応力です。
まず、ドリフト領域とゲート酸化物間のインターフェースに近い最高電界領域における逆モードでの通常議論されるストレス、そして2番目に、オン状態でストレスを受けるゲートとソース間の重なりです。
オン状態における高電界は、オン状態中の電界ストレスを軽減できるデバイス設計対策が実施されていないため、より危険であると見なされます。したがって、全体的な目標は、SiCによって潜在的に提供される低いRDSon と、十分に調査された安全な酸化膜強度条件に部品が維持される動作モードを組み合わせることです。オン状態では、欠陥密度の高い平面表面から、より好ましい他の表面方向へ移動させることによって、これを実現できます。
ゲート酸化膜の信頼性
SiC MOSデバイスのゲート酸化物の信頼性に関する課題は、所定の動作条件下で、所望の寿命期間全体にわたって、外因性欠陥を含む故障率を十分に低く抑えることです。一般的な産業要件の目標は、20年間の運用で100 ppm未満です。SiC MOSデバイスのゲート酸化物における外因性欠陥の根本的な原因は、主に基板材料、エピタキシャル プロセス内の欠陥、そしてそれほど重要ではないものの、残りのプロセス チェーンによるものです。市販のMOSFET製品のテストにより、この問題は産業システムでの使用において依然として深刻な懸念事項であることが明らかになりました。
そのため、InfineonのCoolSiC™ MOSFETの外因性ゲート酸化膜故障率を調査するために、より多くのデバイスを使用した長時間テストが実行されました。実験は、それぞれ1000個の個別デバイスからなる2つのグループで行われ、150°Cで一定のゲートバイアスストレス下、100日間の3つのシーケンスで実行されました。図9 はテスト結果をまとめたものです。100日後、ゲートソース電圧は+5V増加しました。
これらの統計は線形Eモデルによく適合します。図3の実線に最もよく一致するように加速係数が決定されました。
この結果を、推奨電圧レベルを使用してデバイスの動作寿命20年に外挿すると、モデルは0.2 ppmの故障率を予測します。したがって、ゲート酸化物の信頼性はIGBTで知られているものと同様であることが証明されており、これは一般的な産業要件に完全に適合します。
形。3: 長期テスト: ストレス日数にわたって失敗回数をプロットします。合計2つのグループ1000台のデバイスが150でテストされました°ゲート電圧Vが一定のC GS 示されています。五GS 100日ごとに5V増加します。各ドットは失敗を表します。実線は線形Eモデルによる予測を表す
ダイナミックパフォーマンス
SiC-MOSFETはユニポーラデバイスであるため、その動的性能は主に静電容量によって決まります。このデバイスは、入力容量Cissと比較して、ゲート-ドレイン逆容量C rssが小さくなるように設計されています。これは、ハーフブリッジ構成で動作する場合、MOSFETの寄生ターンオンや複雑なゲートドライバ回路を防止するのに役立ちます。
図4は、4ピンTO-247ハウジングに単一デバイスが取り付けられたハーフブリッジの一般的なスイッチング損失をドレイン電流の関数として示しています。ターンオフエネルギーEoff は容量によって左右されるため、負荷電流にはほとんど依存しませんが、ターンオンエネルギーEon は電流とともに直線的に増加します。
アプリケーション電流が20Aの場合、総損失Etot は最大0.43 mJとなり、50 ～ 150 kHzの範囲でスイッチング周波数が可能になります。
形。4: ドレイン電流IDの関数としての典型的なスイッチングエネルギー。
条件: VGS = 15 / -5 V、RGext = 4.5 Ω、VDS = 800 V、Tvj =175° C、ハーフブリッジ構成の4レッグTO-247
TO-247パッケージの4番目ピンは、ゲート ドライバをソースiに接続し、ソースの浮遊インダクタンスによる負帰還を回避するためのものです。 したがって、3レッグTO247ハーフ ブリッジ構成と比較すると、20 Aの電流で合計約100 mJのスイッチング エネルギーを節約できます。これは、同じダイを使用したパッケージの最適化のみに基づくと、約30% の削減になります。
図5は、ゲート抵抗RG を調整することで電圧勾配dv/dtを簡単に制御できるMOSFETの能力を示しています。これは特にドライブ アプリケーションにとって重要です。ただし、電圧勾配dv/dtが低下すると、スイッチング損失が増加します。
形。5: 典型的なスイッチング損失（左軸、黒い曲線）と最大dv/dt値（右軸、赤い曲線）対RGext。
条件: VDS=800 V、ID = 40A、VGS = 15 / -5 V、Tvj=175°C、ハーフブリッジ構成の3レッグTO-247
明らかに、損失の低減は、dv/dt制限がなく、スイッチング周波数とともに増加するアプリケーションでより顕著になります。これはDC-DCブーストまたはバック/ブースト トポロジで一般的であり、磁気コンポーネントがより小型、軽量、低コストになるという利点があります。さまざまな研究により、より高価な電源スイッチであっても、幅広い用途で材料コストを削減できることがすでに証明されています。SiCベースのコンポーネントのコストが長期的に低下すると予想されるため、このアプリケーションの数は中期的に増加するでしょう。
静的パフォーマンス
MOSFETの静的出力特性の主な特徴は、チャネル抵抗RDS(ON) です。新しく導入されたダイは、室温で VGS = 15Vの場合、標準オン抵抗が45 mΩ です。オン抵抗の正の温度係数により、デバイスは並列接続用として最適です。図6では、出力特性を最先端の1200V高速3 IGBTと直接比較して示しています。しきい値のないオン状態特性により、特に部分負荷時の伝導損失を大幅に削減できます。システムレベルでは、閾値のない伝導動作の特徴により、損失を大幅に削減できる可能性があります。多くのシステムは、その寿命の大部分にわたって部分負荷状態で動作し、競合する標準IGBT技術と比較して伝導損失が大幅に低くなります。5 kHz未満の非常に低いスイッチング周波数と不変のdv/dt勾配でも、同期整流モードの統合ボディ ダイオードを備えたしきい値フリー スイッチは、現在入手可能な商用IGBTソリューションと比較して、総損失を50% 削減できる可能性があります。
形。6: IGBTソリューションと比較した典型的なSiC-MOSFET出力特性
ブースターステージとは対照的に、一般的なインバータアプリケーションでは、特に現場での障害発生時に備えて、明確に定義された短絡能力が必要です。この重要なニーズを反映して、CoolSiC™ MOSFETは、短絡耐性の仕様を備えた市場初のSiC-MOSFETです。
一般的なDMOSの動作とは対照的に、伝達特性 (25°C /175°C) では、VGS = 12Vですでに交差点が現れていることがわかります。12Vを超えると、温度とともに電流が減少し、短絡発生時の飽和電流を制限するのに役立ちます。
図7は、最も重大な、いわゆるハード短絡イベントを示しています。短絡時の動作と堅牢性が詳細に分析され、短絡時間の仕様が3µsを達成できるようになりました。
形。7: TO-247-4のCoolSiC™ MOSFETの室温での典型的な短絡動作
図8は、最も重大な、いわゆるハード短絡イベントを示しています。短絡時の動作と堅牢性が詳細に分析され、短絡時間の仕様が3µsを達成できるようになりました。
標準的なIGBTとは対照的に、短絡電流はデバイスの公称電流と比較して10倍に増加します。最初のピークの後、飽和電流は上記の温度依存特性により、はるかに低いレベルまで低下します。
まとめ
インフィニオンは、SiC技術の商業利用における先駆者です。当社は、世界で初めてSiCベースのダイオードを2001年に市場に導入しました。現在、このような部品の第5世代はディスクリート デバイスとして入手可能です。製品設計は常に有益なコストパフォーマンス評価を念頭に置いて慎重に進められました。
InfineonのSiC-Trench-MOSFETのコンセプトは、低いオン抵抗と、ゲート酸化膜の電界ストレスが高くなりすぎないように最適化された設計を組み合わせ、IGBTのようなゲート酸化膜の信頼性を実現します。SiC-Trench-MOSFETは、スイッチング動作と損失の点で優れた性能を備えています。行われた分析により、ブース、ターンオン、およびターンオフの過渡電圧勾配の完全な制御可能性が確認されました。ターンオン時の電流勾配もゲート抵抗によって制御できます。ターンオフ時には、di/dtは寄生容量効果によって決まります。
さらに、このデバイスは、短絡信頼性などの電気的性能と堅牢性機能の最高の組み合わせです。
CoolSiC™ MOSFETテクノロジーにより、電力変換効率と電力密度の面でパワーエレクトロニクスの新しい時代が始まりました。
了承
このCoolSiC™ MOSFET技術の実現に貢献してくれたすべてのインフィニオンの同僚、特にエアランゲン、フィラッハ、ヴァルシュタインの各拠点のコンセプト、技術、モジュール開発チームのメンバーに感謝の意を表します。
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