相關(guān)背景

　　半導(dǎo)體功率器件是電力電子設(shè)備的關(guān)鍵部件，被廣泛地應(yīng)用在家電，工業(yè)機(jī)械和機(jī)車(chē)牽引等領(lǐng)域。三菱電機(jī)通過(guò)使用碳化硅（SiC）MOSFET實(shí)現(xiàn)了高能源效率的轉(zhuǎn)換，這正符合了在這個(gè)領(lǐng)域?qū)Ω吣茉葱什p小尺寸的需求。 

　　通常電子設(shè)備的短路可能造成過(guò)載電流經(jīng)過(guò)半導(dǎo)體功率器件，這會(huì)對(duì)器件本身造成巨大的破壞和失效。因此，器件設(shè)計(jì)者要盡可能防止過(guò)高的電流。由于SiC MOSFET的內(nèi)阻小于硅材料器件，所以過(guò)載電流將會(huì)特別大，這導(dǎo)致短路時(shí)間減少。與硅材料元件的短路時(shí)間相比，為了保護(hù)SiC MOSFET，我們一般會(huì)使用一個(gè)特別的保護(hù)電路來(lái)更快地阻止過(guò)載電流。

　　當(dāng)然在短路時(shí)間和導(dǎo)通電阻間要有取舍。如果短路時(shí)間長(zhǎng)，那么就需要高導(dǎo)通電阻和大芯片尺寸。在這方面的改善是過(guò)去很長(zhǎng)時(shí)間需要解決的問(wèn)題。

　　新的結(jié)構(gòu)

圖1  新型SiC MOSFET 結(jié)構(gòu)圖 

　　在常見(jiàn)的MOSFET中，源極（source）是一個(gè)單一完整的區(qū)域。但是，三菱電機(jī)在源極內(nèi)引入了一個(gè)額外的區(qū)域來(lái)控制SiC MOSFET的內(nèi)阻（圖1）。采用這種結(jié)構(gòu)可以減少由短路造成的過(guò)載電流的發(fā)生。

　　在短路時(shí)間超過(guò)8微秒的條件下，當(dāng)有過(guò)載電流時(shí)，三菱電機(jī)的新設(shè)備就不需要高速保護(hù)電路來(lái)中斷電源。碳化硅器件的新構(gòu)造增加了電阻因而減小了短路時(shí)的電流，由于新結(jié)構(gòu)的源極會(huì)造成工作狀態(tài)下溫度上升，而內(nèi)阻由于溫度的上升會(huì)隨之增加。

　　同時(shí)，這種設(shè)計(jì)也能保持導(dǎo)通電阻的溫度低于正常水平。從而，基于硅功率器件的短路時(shí)間，SiC MOSFET的導(dǎo)通電阻比普通硅材料 MOSFET減小了60%，比常見(jiàn)的SiCMOSFET器件減少了40%，而能量損失減幅超過(guò)20%（圖2）。

圖2  新型結(jié)構(gòu)能耗對(duì)比圖

　　這項(xiàng)技術(shù)可以改進(jìn)短路時(shí)間和導(dǎo)通電阻的關(guān)系。因此，新結(jié)構(gòu)的SiC MOSFET可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)高可靠性、高點(diǎn)能效率和小尺寸等特點(diǎn)。

　　短路時(shí)間的增長(zhǎng)降低了額外設(shè)計(jì)保護(hù)電路的必要性，簡(jiǎn)化的電路設(shè)計(jì)可以讓SiC MOSFET在不同的阻斷電壓的需求下應(yīng)用。同時(shí)，不需要做任何改進(jìn)，SiC MOSFET可以使用在現(xiàn)已有的電路技術(shù)上。三菱電機(jī)表示使用SiC MOSFET更容易實(shí)現(xiàn)對(duì)電子器件的保護(hù)。

　　未來(lái)計(jì)劃

　　三菱電機(jī)說(shuō)他們的研發(fā)團(tuán)隊(duì)將不斷改善新產(chǎn)品，目標(biāo)是在2020年實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。