シリコンカーバイド (SiC) MOSFETは、初期の信頼性に関する懸念が一部解決され、価格レベルが非常に魅力的な水準に達したため、パワー半導体市場で急速に人気を集めています。市場に流通するデバイスが増えるにつれて、ユーザーが各デバイスを最大限に活用できるように、SiC MOSFETの特性を理解することが重要になります。この記事では、SiC MOSFETの開発動向と、オンセミコンダクターが発表した1200V SiC MOSFETパワーモジュールの製品特性を紹介します。
SiCは、高電圧高電流電源アプリケーション向けの高品質のWBG半導体材料です。
SiCは、個別のパワー半導体の製造に使用されるワイドバンドギャップ (WBG) 半導体材料シリーズの一部であり、従来のシリコン (Si) MOSFETのバンドギャップエネルギーは1.12 eV、SiC MOSFETのバンドギャップエネルギーは3.26 eVです。SiCと窒化ガリウム (GaN) はバンドギャップエネルギーが広く、価電子帯から伝導帯に電子を移動させるのに約3倍のエネルギーが必要であり、そのためこれらの材料は導体というよりは絶縁体のように動作します。これにより、WBG半導体はより高い破壊電圧に耐えることができ、破壊電界の堅牢性はシリコンの10倍になります。
定格電圧が一定であれば、破壊電界が高いほどデバイスの厚さが薄くなり、オン抵抗が低くなり、電流容量が大きくなります。SiCとGaNはどちらもシリコンと同じオーダーの移動度パラメータを持っているため、どちらの材料も高周波スイッチングアプリケーションに非常に適しています。SiCの熱伝導率はSiやGaNの3倍であり、同じ消費電力であれば、熱伝導率が高いほど温度上昇が低くなります。
R DS(オン) 特定のブレークダウン電圧はMOSFET特性の重要な部分であり、移動度に臨界ブレークダウン電界の3乗を乗じた値に反比例します。SiCの移動度はシリコンより低いものの、その臨界破壊電界は10倍高く、Rが大幅に低下します。 DS(オン) 与えられた破壊電圧に対して。市販のSiC MOSFETは、保証された最大動作温度が 150° Ｃ < タJ < 200° Cで最大600℃のSiC接合温度を達成できる。° C.しかし、接合技術とパッケージング技術の進歩により、SiCは高電圧、高速、大電流、スイッチング電源アプリケーション、および高温スイッチング電源アプリケーション向けの高品質WBG半導体材料になりました。
SiC MOSFETは一般的に650V < BVの範囲内で利用可能である。 DSSSについて < 1.7 kVであり、SiC MOSFETの動的スイッチング動作は標準的なシリコンMOSFETと非常に似ていますが、デバイス特性によって決まる固有のゲート ドライブ要件を考慮する必要があります。
SiCは高速DC充電アプリケーションに大きな利点がある
直流急速充電 (DCFC) 電気自動車 (EV) 充電アプリケーションを例にとると、充電時間の短縮に対する現在の市場の需要により、400 kWに近い高出力EVの急速充電が必要になっています。このアプリケーションでは、アクティブ整流器3相PFCブースト トポロジと3相力率補正 (PFC) システム (アクティブ整流またはアクティブ フロントエンド システムとも呼ばれる) が必要であり、近年その需要が劇的に増加しています。
3相力率補正 (PFC) トポロジは、高速DC充電を効果的に供給するための鍵となります。SiCパワー半導体を3相PFCトポロジに組み込むことで、通常は相反する課題である電力損失の削減と電力密度の向上を解決できます。フロントエンドの3相PFCブースト ステージは複数のトポロジで実装でき、複数のトポロジが同じ電気要件を満たすことができます。
パワーデバイスの設計と定格電圧に影響を与えるもう1つの重要な要素は、アーキテクチャのレベル数です。6スイッチ トポロジは、DCFC EV充電器に通常900 Vまたは1200 Vスイッチを使用する2レベル アーキテクチャです。低RDS(ON) (6-40 m)のSiC MOSFETモジュールは、ブロックあたり15 kWを超える高電力範囲に適しています。この統合ソリューションは、個別ソリューションよりも優れた電力性能を発揮し、効率性の向上、設計の簡素化、システム全体のサイズの縮小、信頼性の最大化を実現します。
15kWから始まるフルブリッジは、SiCモジュールを使用したDC-DC電力変換レベルに非常に適した一般的なソリューションであり、より高い周波数を可能にすることで変圧器とインダクタのサイズを縮小し、完全なソリューションのフォーム ファクターを削減するのに役立ちます。
1200V定格電圧をサポートするSiC MOSFET
onsemiのM1 SiC MOSFETの定格電圧は1200 Vで、最大ゼロゲート電圧ドレイン電流 (IDSS) は各特定デバイスのデータシートに指定されています。ただし、SiC MOSFETのブロッキング電圧能力は温度が上昇するにつれて低下します。1200 V 20 m SiC MOSFETパワーモジュールを例にとると、-40Cでのブロッキング電圧 (VDS°) の典型的な低下は、25°Cでの値と比較して約11% です。通常、オンセミコンダクターのデバイスには、特に極端に低い温度で動作する場合、ある程度の余裕があり、設計時にはVDS ドロップも考慮する必要があります。
SiC MOSFETとSi関連製品の主な違いの1つは、特定のドレイン電流 (ID) のドレイン - ソース電圧 (VDS) とゲート - ソース電圧 (VGS) の相関関係であり、オンセミコンダクターのこの1200 V SiC MOSFETにも例外はありません。従来のSi MOSFETでは、線形 (オーム) 領域とアクティブ領域 (飽和) の間に明確な遷移が見られます。一方、SiC MOSFETにはこの問題はありません。実際、SiC MOSFETには飽和領域がないため、非理想的な電流源ではなく可変抵抗のように動作します。
適切なVGS を選択する際に考慮すべき重要な点は、SiC MOSFETは、Siと比較して比較的高い電圧でもRDS(ON) の大幅な改善を示し続けるため、ほとんどのSi MOSFETは通常VGS ≤ 10 Vで駆動されるということです。Si MOSFETをSiCに置き換える場合は、駆動電圧を変更することをお勧めします。10 VはSiC MOSFETの一般的なしきい値電圧を上回っていますが、このような低いVGS での伝導損失により、デバイスの熱暴走が発生する可能性が高いため、onsemiの1200 V M1 SiC MOSFETを駆動するには、VGS ≥ 18 Vを使用することをお勧めします。
低熱抵抗SiC MOSFETパワーモジュール
onsemiのNXH020F120MNF1は、F1モジュールに20 mohm/1200V SiC MOSFETフルブリッジとNTCサーミスタを搭載したM1 SiC MOSFETパワーモジュールです。NXH020F120MNF1は、推奨ゲート電圧が18V ～ 20V、熱抵抗が低い4パック フル ブリッジ トポロジー、プレコートされた熱伝導材料 (TIM) の有無を選択できるオプションを備え、プレスフィット ピンをサポートし、鉛フリー、ハロゲンフリーのデバイスで、RoHSに準拠しています。
NXH020F120MNF1は、高電圧でのRDS(ON) を改善し、効率または電力密度を向上させ、信頼性の高い熱インターフェースのための柔軟なソリューションであり、太陽光インバータ、無停電電源装置 (UPS)、電気自動車充電ステーション、産業用電源、AC-DC変換、DC-AC変換、DC-DC変換に幅広く使用できます。一般的な最終製品には、電気自動車充電器、エネルギー貯蔵システム (ESS)、三相ソーラーインバータ、無停電電源装置などがあります。
結論
ますます多くの電力アプリケーションが高電力化に向かっており、特に貴重な充電時間を節約し、充電効率を向上させる必要があるEVやESSの急速充電アプリケーションが注目されています。SiC MOSFETは、急速充電アプリケーションに最適なソリューションです。Onsemiの1200V SiC MOSFETパワー モジュールは、充電効率と電力密度が向上し、関連する高電圧および高電流アプリケーションに最適です。