CoolSiC™技术细节

无与伦比的可靠性和质量

英飞凌的总体目标是将碳化硅MOSFETs低RDS(on)与能使器件在安全氧化层场强条件下运行的栅极驱动模式相结合。因此,决定采用基于沟槽的器件。从具有高缺陷密度的平面删转向其他更有利的表面方向,后者可以在低氧化层场强下获得低沟道电阻。这些边界条件是利用硅功率半导体领域质量保证方法的基础,目的是保证工业和汽车应用中预期的FIT率。

相比硅器件而言,碳化硅器件在阻断模式下在更高的漏极感应场强下工作(MV而不是kV),因此,在导通和关断状态下,氧化层中的高电场可能会加速老化。对于关断状态,采用深p区进行应力保护,对于导通状态,采用厚氧化层,目的是解决薄氧化层外部缺陷删选的限制。规避筛选薄氧化层剩余杂质缺陷的限制。

CoolSiC™ MOSFET

CoolSiC™ MOSFET沟槽概念针对体二极管的运行进行了优化。嵌入p +区的沟槽底部增加了体二极管的面积。

CoolSiC™ MOSFET元胞设计是为了限制在导通状态和关断状态下栅氧化层的电场,以保持可靠性。此外,对于1200 V型号,实现了低导通电阻,即使在大规模生产中也确保稳定且可重复。保证仅在VGS=15 V的驱动电压下,结合4.5 V的高栅源阈值电压,树立了碳化硅晶体管领域的标杆。

关于CoolSiC™ MOSFET的更多信息

CoolSiC™是创新的沟槽式碳化硅MOSFET技术。英飞凌再次证明,我们在宽带隙技术领域也一如既往力争创新和技术领先。我们的产品和服务使我们脱颖而出。

CoolSiC™ MOSFET在开关性能和总损耗方面具有出色表现。其中一个亮点是可以在零栅偏置的情况下关断器件,这使得CoolSiC™晶体管概念成为目前市场上唯一真正的“常闭”器件。

 

 

 

 

 

相比目前提供的碳化硅MOSFET而言,除了出色的栅氧化层可靠性外,稳定且坚固耐用的体二极管是CoolSiC™的另一个关键特性。

硬开关拓扑

软开关拓扑

  • 在快速开关速度下的最低开关损耗
  • 由于对抗寄生导通效应(低过压/欠压)的坚固耐用性,设计简便易行
  • 短路额定值3 µs(与伺服驱动等有关)
 
  • 开关损耗最低,设计简单
  • 可以应用0 V关断,譬如,对于具有在0 V关断下工作的SJ MOSFET(如,英飞凌的CoolMOS™)相关设计经验的LLC和ZVS设计人员来说,这是至关重要的。

体二极管—不可或缺的部分:

与IGBT相反,诸如CoolSiC™器件这样的垂直MOSFET通过体二极管提供反向传导,实际上可以作为续流二极管。不过,由于碳化硅的带隙,该二极管的拐点电压相对较高(约3v)。

所有的CoolSiC™ MOSFET(要么采用英飞凌的碳化硅模块封装,要么属于英飞凌的碳化硅分立器件系列),都具有集成体二极管。不需要额外的肖特基二极管。

该二极管可用于实现典型的续流功能。此外,它也可以在没有肖特基势垒二极管(SBD)的情况下使用。必须使用同步整流(在短暂的死区时间后在二极管模式下打开通道),以降低传导损耗。

CoolSiC™ MOSFET体二极管适用于硬换向,并且具有极高的耐用性,可承受7x Inom 10 ms浪涌电流。它被证明是长期稳定的,并且不会漂移超出产品手册的限值。英飞凌通过坚持以下做法,确保器件参数(RDS(on)和 VSD)在使用寿命内保持在产品手册规定的限值内:

  • 优化筛选工艺,降低缺陷密度
  • 100%最终间隙测试(FCT),验证低DPM率

 

为加深理解,请查阅我们的技术文档

 

碳化硅沟道MOSFET是实现节能世界的下一步,代表着变流系统的巨大进步。

阅读相关内容,了解英飞凌如何在产品发布过程中控制和保证碳化硅功率半导体的可靠性,以达到预期使用寿命和质量要求。

单击此处,以便更好地了解与碳化硅相关的可靠性。

先进设计聚焦于作为给定技术主要基准参数的比导通电阻领域。不过,必须在电阻和开关损耗等主要性能指标与实际功率电子设计相关的其他方面(如足够的可靠性)找到适当的平衡。

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了解碳化硅(SiC)晶体管如何越来越多地用于变流器,对尺寸、重量和效率提出了很高要求。碳化硅具有出色的材料特性,因而可设计出相对于双极IGBT器件更快速开关单极器件。因此,只在低压环境(<600 V)下才有可能实现的解决方案,如今在更高电压下也有可能实现。

变流系统


CoolSiC™肖特基二极管

英飞凌是全球第一家商用碳化硅(SiC)器件供应商。依托广泛的市场和丰富的经验,英飞凌能够带来高度可靠、业界领先的碳化硅性能。碳化硅和硅材料性能的差异限制了实际硅单极性二极管(肖特基二极管)的电压范围最高为100 V - 150 V,并具有较高的通态电阻和漏电流。在碳化硅材料中,肖特基二极管可以达到更高的击穿电压。英飞凌碳化硅(SiC)产品系列涵盖600 V和650 V至1200 V肖特基二极管。


CoolSiC™混合器件

硅基开关和CoolSiC™肖特基二极管的组合被称为“混合器件”。

相比硅IGBT而言,该混合器件可降低导通损耗,还可以实现更高开关频率和更强的电流处理能力。无论单独使用碳化硅二极管单管,或在功率模块中与硅功率器件结合使用,都可以实现更高的功率密度和效率。碳化硅二极管由此进一步扩展IGBT技术的使用。

CoolSiC™混合模块 CoolSiC™混合单管

众所周知的EasyPACK ™中的混合模块采用升压或三电平拓扑。该产品包含由碳化硅二极管芯片和IGBT芯片,能在太阳能逆变器等目标应用中发挥最佳性能。

采用碳化硅的功率模块会越来越多样化,如碳化硅二极管与硅晶体管甚至碳化硅晶体管相结合(基于广受赞誉的CoolSiC™技术)。无论应用的功率大小,我们的碳化硅模块产品都能实现更高效的设计,从EasyPACK™ 1B/2B封装到EasyPACK™ 3B等更大封装。

CoolSiC™混合单管结合了两种成熟的业内最佳的半导体技术:650 V TRENCHSTOP™ 5 IGBT和CoolSiC™肖特基二极管G6。由此打造的产品具有类似于碳化硅开关的性能,但价格具有竞争力。

 

 


FIT率和栅极氧化层可靠性

对于碳化硅器件而言,要降低FIT率,则必须考虑两个影响因素:

  • 宇宙射线辐射效应(与硅器件相同)
  • 栅极氧化层的可靠性(由于氧化层场应力)

宇宙射线辐射的稳定性通常是通过优化漂移区的电场分布来实现的。不过,为降低氧化层FIT率,需要有效筛查电活性缺陷。原则上,只要器件不含与缺陷有关的杂质,即杂质缺陷,硅和碳化硅MOSFET的固有氧化层使用寿命几乎相同。与硅MOSFET相比,碳化硅MOSFET在栅氧化层中表现出更高的杂质缺陷密度。与无缺陷器件相比,具有杂质缺陷的器件更早发生故障。要保证碳化硅MOSFET栅氧化层具有足够的可靠性,面临的挑战在于通过电气删选方式来减少受杂质缺陷影响的器件的数量。每个器件都受到栅极应力模式的影响——那些具有临界杂质缺陷的器件会遭受破坏。因此,高效栅氧化层筛选的促成因素是标称氧化层厚度远高于实现固有使用寿命目标通常所需的厚度,这导致在栅氧化层FIT率与器件性能之间实现折衷。

为进一步提高碳化硅工艺水平,英飞凌投入大量人力物力,对电气筛选碳化硅MOSFET的通态氧化层可靠性和碳化硅功率器件中电场引起的断态氧化层应力进行了测试。

如今,我们可以宣称:

  • 由于对栅极氧化层厚度进行了优化,我们的栅极氧化层筛选做法比竞争对手碳化硅MOSFET制造商更高效。
  • 使用寿命内较低的栅极氧化层故障率且无早期故障,有助于为客户提供栅极氧化层的最高质量。