ROHM 4:e generationens SiC MOSFET

I takt med att fler xEV:er strävar efter att förlänga räckvidden och minska batteristorleken ombord har efterfrågan på SiC-kraftkomponenter skjutit i höjden. Ökad verkningsgrad hos huvuddrivningens växelriktare måste ta hänsyn till högre batterispänningar samtidigt som laddningstiderna krymper, vilket kräver förbättrade SiC-enheter med reducerade ON-resistanser.

Låg ON-resistans

Power-MOSFET:er i SiC kan konstrueras med mycket högre motståndsspänning (upp till 900 V). Därmed kan de uppnå hög verkningsgrad med lägre switchförluster, vilket ger mer effekt till belastningarna samtidigt som de har en imponerande kortslutningsspänning och kompakt formfaktor.

Kiselkarbidens högre elektriska fältstyrka jämfört med kisel möjliggör denna utveckling, liksom dess tunnare driftlager som ger mindre normaliserat ON-motstånd per ytenhet än i konventionella plana kisel-MOSFET:er, vilket ger effektivare switchprestanda, vilket leder till större miniatyrisering av passiva komponenter och ökad enhetseffektivitet.

ROHM var först med att massproducera SiC MOSFETs med trench-design, och deras branschledande 3:e generationens MOSFETs minskade ON-resistansen med 40% och förbättrade kortslutningståtiden utan att kompromissa med tillförlitligheten. Deras 4:e generationens trench-MOSFET:er har också 50% lägre ON-resistans jämfört med tidigare generationer samt stöd för flexibel gate drive-spänning Vgs mellan 15V-18V för ytterligare energibesparingar.

ROHM:s 1200V/4200A SiC Power MOSFETs är viktiga komponenter i utvecklingen av nästa generations elfordon som måste vara lättare, snabbare och mer miljövänliga. Faktum är att nuvarande elbilar redan använder dessa enheter i sina batterisystem för förbättrad körning och snabbare laddningstider samt för motorstyrning på traktionsomvandlare/laddare ombord för att maximera prestanda och minska energiförlusterna.

Prestanda för höghastighetsswitchning

SiC MOSFETs kan minska effektomvandlingsförlusterna avsevärt genom att minimera deras on-motstånd och parasitkapacitans, men detta kräver att man hittar en balans mellan lägre on-motstånd och kortare kortslutningståtid (HBM). ROHM kunde uppnå 40% lägre påmotstånd per ytenhet än konventionella produkter utan att kompromissa med HBM genom att ytterligare optimera sin ursprungliga struktur med dubbla trencher. Med sitt 4-pin-paket som separerar drivdonets källstift från strömförsörjningsstiftet, uppnår denna 4:e generationens SiC MOSFET lägre switchförlust med 50 procent samtidigt som den bibehåller höga HBM-genombrottsspänningar. Som ett resultat av detta kan högre switchhastigheter än plana SiC MOSFET:er uppnås.

I takt med det växande intresset för elfordon har behovet av mindre och lättare elsystem ökat. Systemen ska minska energiförbrukningen och samtidigt öka effektiviteten för att förlänga räckvidden. Ett särskilt fokus har lagts på att minska storleken på huvudomriktarna för att öka omvandlingseffektiviteten och samtidigt minska fordonsvikten.

ROHM skapade sin banbrytande 4:e generationens SiC MOSFET för att driva teknisk innovation i nästa generations elfordon (EVs). Den har en dubbel trench-struktur med brett spänningsintervall för att möta olika fordonsapplikationer som strömförsörjning och traktionsomvandlare. Outspädda chip finns nu tillgängliga, och diskreta paket kommer att finnas tillgängliga i juni 2020; 1200V/180A-moduler kommer att finnas tillgängliga senare.

Minimal parasitisk kapacitans

Parasitkapacitans i elektroniska kretsar begränsar strömflödet och leder till försämrad signal. Den påverkar många aspekter av prestanda, t.ex. slew rate, strömutgångskapacitet, effektförlust och återkopplingsslingans stabilitet - och orsakas även av faktorer som kretslayout, komponentval och kretskortsdesign. Det kan orsakas av flera olika faktorer, t.ex. kretskortsdesign eller komponentval, men det kan också minimeras genom faktorer som korta längder på återkopplingsslingan eller enheter med korta eller inga bondningsanslutningar, och slutligen är det också viktigt att kritiska nät routas noggrant när det är möjligt.

Parasitisk kapacitans uppstår mellan två ledare eller element, t.ex. två spår, pads och stift eller PCB-jord och kopparledningar. Dess effekter varierar med frekvensen; vid lägre frekvenser har den minimala effekter medan den vid högre frekvenser kan hindra strömflödet avsevärt.

ROHM:s senaste 650V 4th Gen SiC MOSFETs kan uppnå lägre resistans utan att kompromissa med kortslutningståtiden genom sin innovativa design, som använder en dummy/source trench per gate trench, vilket fördubblar celldensiteten och ytterligare minskar parasitkapacitansen. Tillsammans med andra förbättringar levererar dessa MOSFETs klassens bästa prestanda vid 850V med högre effekttäthet och snabbare switchhastighet; PGC Consultancy och TechInsights genomförde omfattande utvärderingar av dessa enheter för att verifiera deras påståenden; PGC Consultancy tillhandahöll detaljerad analys av elektriska data medan tvärsnittsbilder tillhandahölls från PGC Consultancy/TechInsights utvärdering av dessa enheter för att bevisa dessa enheters påståenden; båda företagen tillhandahöll detaljerade elektriska data och tvärsnittsbilder för verifiering.

Låg kopplingsförlust

Rohms SiC MOSFETs har mycket lägre switchförluster jämfört med konventionella Si power-enheter tack vare att det inte finns någon svansström under drift och att den kompakta chipstorleken tillåter lägre gate-laddnings-/kapacitansnivåer. Som ett resultat av detta minskar effektförlusterna vid växling avsevärt, vilket ökar effektiviteten vid kraftomvandlingsprocesser och samtidigt eliminerar slöseri med energiförbrukning i olika utrustningar.

ROHM har uppfunnit en dubbel trench-struktur för att minska koncentrationen av elektriska fält i grindsektionen och ytterligare minska ON-motståndet utan att äventyra kortslutningstiden. Detta åstadkoms genom att använda bredare grindgravar på båda sidor av en MOSFET samt genom att förlänga den skyddande p-n-övergången djupt in i driftområdet för att skydda grindoxiden från potentiella kortslutningshändelser.

I takt med att nästa generations elfordon utvecklas måste deras elektriska kraftsystem bli allt effektivare och mindre för att öka räckvidden och förbättra bränsleekonomin. För att klara detta krävs avancerade kraftkomponenter i kiselkarbid som klarar högre spänningar och strömstyrkor.

ROHM har tagit fram en banbrytande serie 1200V 4:e generationens SiC MOSFETs som är speciellt anpassade för komponenter i fordonsdrivlinan, t.ex. omriktare för huvuddrivlinan. Genom att minska on-resistansen och öka mättnadsströmmen möjliggör dessa MOSFETs mindre och lättare system med förbättrad prestanda.