第12讲：三菱电机高压SiC芯片技术

三菱电机开发了高耐压SiC MOSFET，并将其产品化，率先将其应用于驱动铁路车辆的变流器中，是一家在市场上拥有良好业绩记录的SiC器件制造商。本篇带你了解三菱电机高压SiC芯片技术。

通过使用SiC，可实现额定电压3.3kV以上的高耐压MOSFET。由于MOSFET是单极性器件，少数载流子不会积聚，所以能够实现极低的开关损耗。一般来说，由于高耐压模块所处理的电流大，需要将功率损耗引起的发热控制在容许值以下，因此将载波频率（开关频率）设置得较低。但通过使用SiC MOSFET，系统能够使用高载波频率，可为系统提供诸如高性能、小型化等前所未有的优点。

高耐压SiC MOSFET的漂移层电阻和JFET区域电阻占导通电阻的比例较大。由于漂移层的电阻是由击穿电压和物理特性值决定的，很难通过设计来降低漂移层的电阻。因此，通过优化JFET区域设计来降低电阻非常重要。在JFET区域的设计中，在降低电阻的同时，为了确保可靠性，还需要抑制最大电场强度。如第11讲所述，通过使用在第二代SiC MOSFET开发中获得的JFET掺杂技术，实现了兼具低电阻和高可靠性的3.3kV SiC MOSFET。此外，高耐压SiC MOSFET还需要考虑的性能是短路耐受能力。当施加高电压时，必须进一步减小短路电流以保证器件免受短路故障的影响。SiC MOSFET短路电流的抑制伴随着导通电阻的增加，因此设计时必须考虑这些特性的平衡。

图1表示3.3kV SiC MOSFET模块的正向特性。图中还显示了与SiC MOSFET具有相同有效面积的Si IGBT的正向特性。在低电流区域，与存在内建电势的Si IGBT相比，SiC MOSFET的通态电压大幅降低。这是SiC MOSFET的一大优点。

图1：3.3kV SiC MOSFET模块的正向特性

作为下一代的高耐压SiC MOSFET，三菱电机开发了第三代SBD嵌入式SiC MOSFET，并于2024年将第一个配备该芯片的SiC模块商业化。如第5讲所述，SiC晶体中存在少量晶体缺陷，这些缺陷在通过双极电流时使器件特性恶化。在芯片并联数较多的高耐压大电流模块中，包含该缺陷的概率变高，因此在正常工作时，为了避免双极电流流过，开发了将肖特基二极管嵌入在MOS元胞内的SiC MOSFET。

图2显示了SBD嵌入式SiC MOSFET与常规MOSFET的横截面结构图。在SBD嵌入式SiC MOSFET中，在与源极接触的部分形成肖特基接触。当向MOSFET施加反向电压时，肖特基电流（单极电流）通过MOSFET，以抑制体二极管导通引起的双极电流。

图2(a)：常规3.3kV SiC MOSFET的MOS元胞截面图


图2(b)：3.3kV SBD嵌入式SiC MOSFET的MOS元胞截面图

图3显示了SBD嵌入式SiC MOSFET的正向特性。漏极电流和漏极电压的正向特性与常规SiC MOSFET相同。图4显示了SBD嵌入式SiC MOSFET的反向特性。在关闭栅极的情况下，向MOSFET施加反向电压时，在常规结构中，在超过约2.5V时，MOSFET的体二极管会流过双极性电流。另一方面，在SBD嵌入式SiC MOSFET中，从约1V开始，流过单极性的肖特基电流，没有来自体二极管的电流流过。因此，不会因双极导通而带来的劣化。

图3：SBD嵌入式SiC MOSFET的正向特性


图4：SBD嵌入式SiC MOSFET的反向特性

SBD嵌入式SiC MOSFET的挑战之一是其低浪涌电流能力。对此，三菱电机开发了一种独特的MOS元胞结构，该结构仅在浪涌电流流过时以双极方式工作。通过将该MOS元胞集成到SBD嵌入式SiC MOSFET中，成功地大幅提高了浪涌电流能力。