SiC又有新突破！电流增长4倍，实现1500V绝缘

第三代半导体风向 · 2021-06-01

芯片合封已经成为了GaN快充电源的趋势性技术，然而到目前为止，单芯片SiC电源IC还无法实现。

不过，昨天，日本国立产业技术综合研究所（AIST）对外公布，他们成功将SiC垂直MOSFET和SiC CMOS进行了单芯片集成，“这是全球首次突破”，电流提升了4倍，可以做到1500V高压绝缘。

其概念请看下图：

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为什么SiC很难做到单芯片集成？

集成CMOS驱动电路，可以让SiC功率器件的电路结构变得更为简单，可以缩小功率转换器的尺寸，而且功耗更低。但目前要设计这种集成电源IC遇到了有两个技术难题——输出电流和与高压绝缘。

因为将SiC CMOS驱动电路设计成耐高压时，那么它的输出电流就比较小，因此就难以驱动SiC垂直MOSFET。

在传统的做法中，CMOS驱动电路和垂直MOSFET会被分成单独的芯片，并且它们的信号布线是通过金属线、印刷电路板等进行。

但由于垂直MOSFET要施加高电压，因此它需要与CMOS驱动电路有足够的绝缘距离，这就导致SiC功率转换器件难以缩小尺寸和降低重量。此外，其信号布线中所存在的寄生电感，也会对开关操作产生不利影响，并导致损耗增加。

AIST认为问题主要出现p型MOSFET上。“一般来说，SiC CMOS的问题是p型MOSFET输出电流明显不如n型MOSFET输出电流，这是通过 SiC CMOS 驱动电路实现开关操作的障碍”。

电流增加4倍，1500V绝缘

如何做到的？

5月30日，AIST在公告中表示，他们已经成功开发了SiC单片功率IC，并将1.2 kV级垂直MOSFET和CMOS驱动电路集成在同一芯片上。“这是全球首次，其开关操作已得到确认”。他们不仅可以让SiC CMOS实现了高压绝缘，还成功同时增加了输出电流。

AIST是如何做到？

据介绍，其关键在于他们开发出了独特的SiC功率MOSFET结构，目前已经完成了第一代IE-MOSFET和第二代IE-U MOSFET。

如图 2(a) 所示，AIST的SiC 单片功率IC由两个区域组成：一个垂直的MOSFET区域和一个CMOS驱动电路区域。AIST开发的IE-U MOSFET被用作垂直MOSFET，在IE-U MOSFET通用的p型层上形成CMOS驱动电路，这样就成功增加了p型MOSFET的输出电流和耐压。

简单来说，AIST利用IE-U MOSFET的p型层由高晶体质量的外延膜形成的特点，在几乎不改变制造工艺的情况下形成了外延嵌入沟道。结果，成功地将 p 型 MOSFET 的输出电流增加了4倍。

同时，通过以与IE-U MOSFET相同的耐压结构形成SiC CMOS，AIST成功地使CMOS驱动电路与1500 V的漏极电压进行了绝缘，而无需增加新的制造工艺。

图2：（a）是新开发的SiC单片功率IC的示意性截面图，（b）外延嵌入式沟道的影响，（c）耐电压特性。

为了验证这种单芯片电源IC的性能，AIST还进行了开关操作演示。

图3显示了这种SiC单片电源IC的开关操作波形。通过在漏极电压为600 V和漏极电流为10 A的情况下执行开关操作，从开启状态切换到关闭状态，获得了从关断状态到导通状态的两种开关操作波形。

图3：SiC单片电源IC的开关工作波形：(a)关断波形，(b) 开启波形

AIST表示，未来将进一步提高SiC CMOS 驱动电路的输出电流，以实现SiC单片功率IC的高速开关。此外，还将集成传感器、逻辑电路等，以扩大SiC电力转换设备的应用范围。

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