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

SiC又有新突破!电流增长4倍,实现1500V绝缘

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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