ROHM MOSFET SiC de 4ème génération

Alors que de plus en plus de véhicules électriques xEV s'efforcent d'augmenter leur autonomie et de réduire la taille de la batterie embarquée, la demande en dispositifs de puissance SiC est montée en flèche. L'augmentation de l'efficacité des onduleurs de l'entraînement principal doit tenir compte des tensions plus élevées de la batterie tandis que les temps de charge diminuent, ce qui nécessite des dispositifs SiC améliorés avec des résistances d'enclenchement réduites.

Faible résistance à l'enclenchement

Les MOSFET de puissance SiC peuvent être conçus avec des capacités de tension de tenue beaucoup plus élevées (jusqu'à 900V). Ils peuvent ainsi atteindre des rendements élevés avec des pertes de commutation plus faibles, ce qui permet d'augmenter la puissance fournie aux charges tout en conservant une tension de court-circuit impressionnante et un facteur de forme compact.

L'intensité de champ électrique plus élevée du carbure de silicium par rapport au silicium permet cette avancée, de même que sa couche de dérive plus fine qui permet une résistance à l'enclenchement normalisée par unité de surface plus petite que dans les MOSFET planaires conventionnels en silicium, offrant une performance de commutation plus efficace, conduisant à une plus grande miniaturisation des composants passifs et à une plus grande efficacité des dispositifs.

ROHM a été le premier à produire en masse des MOSFET SiC avec un design en tranchée, et ses dispositifs de 3ème génération ont réduit la résistance à l'enclenchement de 40% et amélioré la durée de résistance aux courts-circuits sans compromettre la fiabilité. Les MOSFET à tranchée de quatrième génération présentent également une résistance à l'enclenchement inférieure de 50% par rapport aux générations précédentes et prennent en charge une tension de commande de grille flexible comprise entre 15V et 18V, ce qui permet d'économiser encore plus d'énergie.

Les MOSFET de puissance SiC 1200V/4200A de ROHM sont des composants essentiels dans le développement des véhicules électriques de la prochaine génération qui doivent être plus légers, plus rapides et plus respectueux de l'environnement. En fait, les véhicules électriques actuels utilisent déjà ces dispositifs dans leurs systèmes de batteries pour améliorer la conduite et accélérer les temps de charge, ainsi que pour le contrôle des moteurs sur les onduleurs de traction/chargeurs embarqués afin de maximiser les performances et de réduire les pertes d'énergie.

Performance de commutation à haute vitesse

Les MOSFET SiC peuvent réduire considérablement les pertes de conversion d'énergie en minimisant leur résistance à l'enclenchement et leur capacité parasite, mais il faut pour cela trouver un équilibre entre une résistance à l'enclenchement plus faible et un temps de résistance aux courts-circuits (HBM) plus court. ROHM a pu obtenir une résistance à l'enclenchement 40% plus faible par unité de surface que les produits conventionnels sans compromettre le temps de tenue aux courts-circuits en optimisant davantage sa structure originale à double tranchée. Avec son boîtier à 4 broches qui sépare la broche de source du pilote de la broche d'alimentation, ce MOSFET SiC de 4ème génération permet de réduire les pertes de commutation de 50% tout en maintenant des tensions de claquage HBM élevées. Par conséquent, il est possible d'atteindre des vitesses de commutation plus élevées que celles des MOSFET SiC de type planaire.

L'intérêt croissant pour les véhicules électriques (VE) a entraîné un besoin accru de systèmes électriques plus petits et plus légers qui améliorent la consommation d'énergie tout en augmentant l'efficacité afin d'accroître l'autonomie de conduite. Une attention particulière a été accordée à la réduction de la taille des onduleurs de l'entraînement principal afin d'augmenter l'efficacité de la conversion tout en réduisant le poids du véhicule.

ROHM a créé son MOSFET SiC de quatrième génération pour stimuler l'innovation technique dans les véhicules électriques de la prochaine génération. Il est doté d'une structure à double tranchée et d'une large plage de tension pour répondre à diverses applications automobiles telles que les alimentations et les onduleurs de traction. Des échantillons de puces nues sont désormais disponibles, et des boîtiers discrets seront disponibles d'ici juin 2020 ; des modules de 1200V/180A seront disponibles ultérieurement.

Capacité parasite minimale

La capacité parasite dans les circuits électroniques limite le flux de courant, ce qui entraîne une dégradation du signal. Elle a un impact sur de nombreux aspects des performances, notamment la vitesse de balayage, la capacité de sortie du courant, la dissipation de puissance et la stabilité de la boucle de rétroaction, et elle est due à des facteurs tels que la disposition des circuits, la sélection des composants et la conception des circuits imprimés. Bien qu'elle puisse être causée par plusieurs sources telles que la conception du circuit imprimé ou le choix des composants, sa présence peut également être minimisée par des facteurs tels que des longueurs de boucle de commande courtes ou des dispositifs avec des connexions de liaison de fil courtes ou inexistantes ; enfin, il est également essentiel que les réseaux critiques soient soigneusement acheminés lorsque cela est possible.

La capacité parasite se produit entre deux conducteurs ou éléments, tels que deux pistes, des plots et des broches ou la masse d'un circuit imprimé et des lignes de cuivre. Ses effets varient en fonction de la fréquence ; à basse fréquence, ses effets sont minimes, tandis qu'à haute fréquence, elle peut entraver le flux de courant de manière significative.

Les derniers MOSFET SiC 650V 4ème génération de ROHM peuvent atteindre une résistance plus faible sans compromettre le temps de résistance aux courts-circuits grâce à leur conception innovante, qui utilise une tranchée fictive/source par tranchée de grille, ce qui double la densité des cellules et diminue encore la capacité parasite. Avec d'autres améliorations, ces MOSFETs offrent les meilleures performances de leur catégorie à 850V avec une plus grande densité de puissance et une vitesse de commutation plus rapide ; PGC Consultancy et TechInsights ont mené des évaluations approfondies sur ces dispositifs pour vérifier leurs revendications ; PGC Consultancy a fourni une analyse détaillée des données électriques tandis que des images en coupe transversale ont été fournies à partir de l'évaluation de ces dispositifs par PGC Consultancy/TechInsights pour prouver les revendications de ces dispositifs ; les deux sociétés ont fourni des données électriques détaillées et des images en coupe transversale pour la vérification.

Faible perte de commutation

Les MOSFET SiC de Rohm présentent des pertes de commutation beaucoup plus faibles que les dispositifs de puissance Si conventionnels en raison de l'absence de courant de queue pendant le fonctionnement et de la taille compacte de la puce qui permet des niveaux de charge/capacité de grille plus faibles. Par conséquent, les pertes de puissance lors de la commutation sont considérablement réduites, ce qui augmente l'efficacité des processus de conversion d'énergie tout en éliminant la consommation d'énergie inutile dans divers équipements.

ROHM a inventé une structure à double tranchée pour réduire la concentration du champ électrique dans la section de la grille et diminuer encore la résistance à l'enclenchement sans compromettre la durée de résistance aux courts-circuits. Pour ce faire, on utilise des tranchées de grille plus larges des deux côtés d'un MOSFET et on étend la jonction p-n protectrice profondément dans sa région de dérive pour protéger son oxyde de grille contre les courts-circuits potentiels.

Au fur et à mesure de l'évolution de la prochaine génération de véhicules électriques (VE), leurs systèmes d'alimentation électrique doivent devenir de plus en plus efficaces et de plus en plus petits afin d'augmenter l'autonomie et d'améliorer l'économie de carburant. Pour ce faire, des dispositifs de puissance avancés en carbure de silicium capables de répondre à des applications de tension et de courant plus élevées seront nécessaires.

ROHM a présenté une série révolutionnaire de MOSFET SiC 1200V 4ème génération spécialement conçus pour les composants du groupe motopropulseur automobile tels que les onduleurs de l'entraînement principal. En réduisant la résistance à l'enclenchement et en augmentant le courant de saturation, ces MOSFET permettent d'obtenir des systèmes plus petits et plus légers avec des performances accrues.