東芝在SiC和GaN的技術產品創新
雖然硅功率器件目前占據主導地位，但SiC（碳化硅）和GaN（氮化鎵）功率器件正日益普及。SiC 功率器件具有出色的熱特性，適用于需要高效率和高輸出的應用，而GaN 功率器件具有出色的射頻頻率特性，能滿足要求高效率和小尺寸的千瓦級應用。
最為重要的一點，SiC 的擊穿場是硅的10 倍。由于這種性質，SiC 器件的塊層厚度可以是硅器件的1/10。因此，使用SiC 可以制造出具有超低電阻和高擊穿電壓的開關器件。此外，SiC 的導熱系數大約是硅的3 倍，因此它能提供更高的散熱能力。由于這些物理特性，SiC 功率器件非常適合用于對功率損耗、擊穿電壓和散熱有嚴格要求的應用。目前，SiC 器件的主要應用包括電動汽車充電站、光伏發電機、不間斷電源和服務器電源等等。SiC 器件主要應用于開關頻率為（10~100）kHz 和功率容量為（1~100）kW 的應用。對于電動汽車充電站而言，SiC MOSFET 主要用于三相有源功率因數校正電路和雙向 DC-DC 轉換器。而SiC BCD（肖特基勢壘二極管）通常用于升壓功率因數校正電路。
黃文源(東芝電子元件(上海)有限公司半導體技術統括部/技術企劃部高級經理)
2 制約SiC解決方案推廣的技術挑戰
功率器件是管理各種電子設備電能、降低功耗以及實現碳中和社會的重要元器件。SiC 被廣泛視為下一代功率器件的材料，因為SiC 相較于硅材料可進一步提高耐壓并降低損耗。雖然SiC 材質的功率器件目前主要用于列車逆變器，但其今后的應用領域非常廣泛，例如車輛電氣化，工業設備小型化，光伏發電機、不間斷電源和服務器電源等等。然而，可靠性問題卻阻礙了SiC 器件的采用和市場增長。在SiC MOSFET反向導通動作時，如果體二極管雙極性通電會使得導通電阻劣化，成為可靠性相關課題。
圖1 東芝新型SiC MOSFET的結構
3 東芝的SiC MOSFET和GaN的解決方案
● 第三代SiC MOSFET 解決方案
東芝的新型SiC MOSFET 具有低導通電阻，顯著降低了開關損耗，現在已經開發出具有低導通電阻、開關損耗大幅降低的SiC MOSFET，與第二代SiC MOSFET相比，新型產品的開關損耗約降低了20%。
東芝通過在第二代產品的SiC MOSFET 內部與PN二極管并聯內置了一個肖特基勢壘二極管（SBD）的結構成功解決了可靠性問題。但這又產生了一個新問題，當MOSFET 包含不作為MOSFET 工作的SBD 單元時，MOSFET 的性能會下降。具體而言，單位面積的導通電阻（RonA）以及代表導通電阻和高速的性能指標（Ron*Qgd）都會增大。芯片面積增大以降低導通電阻（Ron），這又帶來了進一步的問題——單位成本提高。
東芝目前研發的器件結構既能減小RonA，又能包含SBD。目前，通過在SiC MOSFET 的p 型寬擴散區（p 阱）底部注入氮氣，可減小擴散電阻（Rspread）并增大 SBD 電流。東芝還通過減小JFET 區和注入氮氣，減小了反饋電容和JFET 電阻。因此，在未增大RonA的情況下減小了反饋電容。相較于第二代產品，這種器件結構的RonA 降低了43%，Ron*Qgd 降低了80%，（因導通和關斷產生的）開關損耗約降低了20%。通過SBD 的位置優化還確保了穩定運行，不會出現 RonA波動。
在此基礎上，東芝推出面向更高效工業設備的第三代 SiC MOSFET“TWxxNxxxC 系列”。
該系列產品包含1 200 V 和650 V 兩種規格，該系列具有低導通電阻，可顯著降低開關損耗。該系列10款產品包括5 款1 200 V 產品和5 款650 V 產品。東芝將進一步壯大其功率器件產品線，強化生產設施，并通過提供易于使用的高性能功率器件，努力實現碳中和經濟。
圖2 RonA和Ron*Qgd 降低(東芝的測試結果)
● GaN 解決方案
東芝率先在GaN 器件上應用電流傳感技術，實現了功率損耗更低、電流傳感精度更高、電源系統體積更小的GaN 器件。東芝開發出全球首個集成于半橋（HB）模塊的分流式MOS 電流傳感器。當其用于GaN 功率器件等器件時，該傳感器可使電力電子系統具有很高的電流監測精度，但功率損耗不會增加，并有助于減小此類系統和電子設備的尺寸。
全球推行碳中和，需要更高效的電子設備，尤其是小型的系統。然而，由于HB 模塊和電流傳感器必須安裝在電感器的兩側，因此將他們集成在一塊芯片上很困難。電流檢測降低功耗（減少熱量）的同時，也會降低的精度，因為這取決于分流電阻。雖然現今的技術可實現高精度電流傳感器，但卻無法降低損耗。
東芝的新技術采用級聯共源共柵，將低壓金屬氧化物半導體場效應晶體管（MOSFET）與GaN 場效應晶體管相連用于電流傳感，因此無需使用分流電阻，避免其產生功耗。此外，電路優化和尖端校準技術可保證10 MHz 以上的帶寬，可提高產品性能及測量精度。集成到 HB 模塊的這款新型IC 不僅提高了開關頻率，還縮小了電容和電感的尺寸，有助于電子設備的小型話化?？商岣吖β兽D換器效率的功率半導體（包括GaN器件）是東芝的一大核心產品領域。東芝將通過盡快將這項新技術應用于功率半導體，確保相關產品盡早上市，為實現碳中和目標做出貢獻。
圖3 和圖4 是東芝該項新技術的示意圖，供參考。
圖3 使用新開發的電流傳感器的功率轉換器的圖像
圖4 新開發的并聯MOS電流傳感器的圖像
（本文來源于EEPW 2023年10月期）
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