SiC-MOSFET der 4. Generation von ROHM

Da immer mehr xEVs darauf abzielen, ihre Reichweite zu vergrößern und die Größe der Bordbatterien zu verringern, ist die Nachfrage nach SiC-Leistungsbauelementen sprunghaft angestiegen. Die gesteigerte Effizienz der Hauptantriebswechselrichter muss den höheren Batteriespannungen Rechnung tragen, während gleichzeitig die Ladezeiten verkürzt werden – dies erfordert verbesserte SiC-Bauelemente mit geringerem Einschaltwiderstand.

Geringer Durchlasswiderstand

SiC-Leistungs-MOSFETs können mit deutlich höheren Spannungsfestigkeiten (bis zu 900 V) ausgelegt werden. Dadurch erzielen sie hohe Wirkungsgrade bei geringeren Schaltverlusten, was zu einer höheren Leistungsabgabe an die Lasten führt, während gleichzeitig eine beeindruckende Kurzschlussspannung und eine kompakte Bauform beibehalten werden.

Diese Weiterentwicklung wird durch die im Vergleich zu Silizium höhere elektrische Feldstärke von Siliziumkarbid ermöglicht, sowie durch die dünnere Driftzone, die einen geringeren normierten EIN-Widerstand pro Flächeneinheit als bei herkömmlichen planaren Silizium-MOSFETs ermöglicht. Dies sorgt für eine effizientere Schaltleistung, was wiederum zu einer stärkeren Miniaturisierung passiver Bauteile und einer höheren Effizienz der Bauelemente führt.

ROHM war der Pionier bei der Serienfertigung von SiC-MOSFETs mit Trench-Design, und die branchenführenden Bauelemente der 3. Generation reduzierten den Einschaltwiderstand um 40% und verbesserten die Kurzschlussfestigkeit, ohne die Zuverlässigkeit zu beeinträchtigen. Auch die Trench-MOSFETs der 4. Generation weisen im Vergleich zu früheren Generationen einen um 50% niedrigeren Einschaltwiderstand auf und unterstützen zudem flexible Gate-Ansteuerspannungen Vgs zwischen 15 V und 18 V für weitere Energieeinsparungen bei den Bauelementen.

Die 1200-V/4200-A-SiC-Leistungs-MOSFETs von ROHM sind unverzichtbare Komponenten bei der Entwicklung von Elektrofahrzeugen der nächsten Generation, die leichter, schneller und umweltfreundlicher sein müssen. Tatsächlich kommen diese Bauelemente bereits in den Batteriesystemen aktueller Elektrofahrzeuge zum Einsatz, um das Fahrverhalten zu verbessern und die Ladezeiten zu verkürzen, sowie zur Motorsteuerung in Traktionswechselrichtern und Bordladegeräten, um die Leistung zu maximieren und Energieverluste zu minimieren.

Hohe Schaltgeschwindigkeit

SiC-MOSFETs können die Verluste bei der Leistungsumwandlung erheblich reduzieren, indem sie ihren Durchlasswiderstand und ihre parasitäre Kapazität minimieren; dies erfordert jedoch einen Kompromiss zwischen einem niedrigeren Durchlasswiderstand und einer kürzeren Kurzschluss-Durchhaltezeit (HBM). ROHM gelang es, durch die weitere Optimierung seiner ursprünglichen Double-Trench-Struktur einen um 401 TP3T niedrigeren Ein-Widerstand pro Flächeneinheit als bei herkömmlichen Produkten zu erzielen, ohne die HBM zu beeinträchtigen. Mit seinem 4-Pin-Gehäuse, das den Treiber-Source-Pin vom Versorgungs-Pin trennt, erzielt dieser SiC-MOSFET der 4. Generation um 50 Prozent geringere Schaltverluste bei gleichzeitig hohen HBM-Durchbruchspannungen. Dadurch lassen sich höhere Schaltgeschwindigkeiten als bei planaren SiC-MOSFETs erreichen.

Angesichts des wachsenden Interesses an Elektrofahrzeugen (EVs) besteht ein zunehmender Bedarf an kleineren und leichteren elektrischen Systemen, die den Energieverbrauch senken und gleichzeitig die Effizienz steigern, um die Reichweite zu verlängern. Ein besonderer Schwerpunkt liegt dabei auf der Verkleinerung der Hauptantriebswechselrichter, um den Wirkungsgrad zu erhöhen und gleichzeitig das Fahrzeuggewicht zu senken.

ROHM hat seinen hochmodernen SiC-MOSFET der 4. Generation entwickelt, um technische Innovationen bei Elektrofahrzeugen (EVs) der nächsten Generation voranzutreiben. Er verfügt über eine Double-Trench-Struktur mit großem Spannungsbereich und eignet sich damit für verschiedene Automobilanwendungen wie Stromversorgungen und Traktionswechselrichter. Bare-Chip-Muster sind ab sofort erhältlich, diskrete Gehäuse werden ab Juni 2020 verfügbar sein; 1200-V/180-A-Module werden zu einem späteren Zeitpunkt erhältlich sein.

Minimale parasitäre Kapazität

Parasitäre Kapazitäten in elektronischen Schaltungen schränken den Stromfluss ein und führen zu einer Verschlechterung des Signals. Sie beeinflussen zahlreiche Leistungsaspekte, darunter die Anstiegsgeschwindigkeit, die Stromausgangsleistung, die Verlustleistung und die Stabilität von Rückkopplungsschleifen – und werden durch Faktoren wie Schaltungslayout, Bauteilauswahl und Leiterplattenentwurf verursacht. Zwar kann sie durch verschiedene Ursachen wie das Leiterplattendesign oder die Auswahl der Bauteile hervorgerufen werden, doch lässt sich ihr Auftreten auch durch Faktoren wie kurze Ansteuerungsschleifen oder Bauteile mit kurzen oder gar keinen Drahtbondverbindungen minimieren; schließlich ist es auch unerlässlich, kritische Netze nach Möglichkeit sorgfältig zu verlegen.

Parasitäre Kapazitäten treten zwischen beliebigen zwei Leitern oder Bauteilen auf, beispielsweise zwischen zwei Leiterbahnen, Kontaktflächen und Anschlüssen oder zwischen der Leiterplattenmasse und Kupferbahnen. Ihre Auswirkungen variieren je nach Frequenz; bei niedrigeren Frequenzen sind sie minimal, während sie bei höheren Frequenzen den Stromfluss erheblich behindern können.

Die neuesten 650-V-SiC-MOSFETs der 4. Generation von ROHM erzielen dank ihres innovativen Designs, bei dem pro Gate-Trench ein Dummy-/Source-Trench zum Einsatz kommt, einen geringeren Widerstand, ohne die Kurzschlussfestigkeitsdauer zu beeinträchtigen. Dadurch wird die Zelldichte verdoppelt und die parasitäre Kapazität weiter verringert. Zusammen mit weiteren Verbesserungen bieten diese MOSFETs eine klassenbeste Leistung bei 850 V mit höherer Leistungsdichte und schnellerer Schaltgeschwindigkeit; PGC Consultancy und TechInsights führten umfangreiche Bewertungen dieser Bauelemente durch, um die angegebenen Leistungsmerkmale zu verifizieren; PGC Consultancy stellte eine detaillierte Analyse der elektrischen Daten zur Verfügung, während Querschnittsbilder aus der Bewertung dieser Bauelemente durch PGC Consultancy/TechInsights bereitgestellt wurden, um die Angaben zu diesen Bauelementen zu belegen; beide Unternehmen stellten detaillierte elektrische Daten und Querschnittsbilder zur Verifizierung zur Verfügung.

Geringe Schaltverluste

SiC-MOSFETs von Rohm zeichnen sich durch deutlich geringere Schaltverluste im Vergleich zu herkömmlichen Si-Leistungsbauelementen aus, da im Betrieb kein Tail-Strom auftritt und die kompakte Chipgröße niedrigere Gate-Ladungs- und Kapazitätswerte ermöglicht. Dadurch werden die Leistungsverluste beim Schalten erheblich reduziert, was den Wirkungsgrad bei der Energieumwandlung erhöht und gleichzeitig den unnötigen Energieverbrauch in verschiedenen Geräten verhindert.

ROHM hat eine Doppelgraben-Struktur entwickelt, um die elektrische Feldkonzentration im Gate-Bereich zu verringern und den Einschaltwiderstand weiter zu senken, ohne dabei die Kurzschlussfestigkeit zu beeinträchtigen. Dies wird durch breitere Gate-Gräben auf beiden Seiten des MOSFETs sowie durch die Ausdehnung des schützenden p-n-Übergangs tief in den Driftbereich hinein erreicht, um das Gateoxid vor möglichen Kurzschlüssen zu schützen.

Mit der Weiterentwicklung der nächsten Generation von Elektrofahrzeugen (EVs) müssen deren elektrische Antriebssysteme immer effizienter und kompakter werden, um die Reichweite zu erhöhen und den Kraftstoffverbrauch zu senken. Dazu werden fortschrittliche Leistungshalbleiter aus Siliziumkarbid benötigt, die für Anwendungen mit höheren Spannungen und Strömen geeignet sind.

ROHM hat eine bahnbrechende Serie von 1200-V-SiC-MOSFETs der 4. Generation auf den Markt gebracht, die speziell auf Komponenten für den Antriebsstrang von Kraftfahrzeugen, wie beispielsweise Hauptantriebswechselrichter, zugeschnitten sind. Durch die Verringerung des Durchlasswiderstands und die Erhöhung des Sättigungsstroms ermöglichen diese MOSFETs kleinere und leichtere Systeme mit verbesserter Leistung.