ПРЕСС-РЕЛИЗ № 3129 ДЛЯ НЕМЕДЛЕННОГО РАСПРОСТРАНЕНИЯ

Этот текст является переводом официальной версии пресс-релиза с английского языка и приведен исключительно для вашего удобства. В случае каких-либо несоответствий оригинальная версия на английском языке имеет приоритетное значение.

Mitsubishi Electric разработала силовой транзистор на основе SiC с рекордным КПД

Это позволит повысить надежность и КПД устройств силовой электроники, применяемых в различных сферах – от бытовой техники до промышленного оборудования

Документ в формате PDF (PDF:279.7KB)

ТОКИО, 22 сентября 2017 года - Корпорация Mitsubishi Electric объявила о разработке силового полупроводникового кристалла на основе карбида кремния (SiC), который, как утверждается, будет иметь самый высокий в мире КПД* среди устройств такого типа. Новое устройство предназначено для установки в силовых модулях и не требует схем быстродействующей защиты для немедленного отключения тока в случае возникновения короткого замыкания (КЗ). Новый чип позволит повысить надежность и КПД устройств силовой электроники в самых разных сферах применения, таких как бытовая техника, промышленное оборудование и железнодорожный транспорт.

*Согласно исследованиям компании Mitsubishi Electric, на момент настоящей публикации новый чип на основе SiC имеет самый высокий в мире КПД из всех силовых устройств в классе 1200 В с временем короткого замыкания более 8 мкс.

О разработке компанией Mitsubishi Electric нового устройства на базе SiC было впервые объявлено на Международной конференции по карбиду кремния и сопутствующим материалам (ICSCRM 2017), проходившей в Вашингтоне, округ Колумбия, 17–22 сентября 2017 года.

Высокая надежность и КПД нового транзистора обеспечиваются новой запатентованной структурой истока. В традиционных полевых транзисторах со структурой металл-оксид-полупроводник, известных как МОП-транзисторы, зона истока формируется как единый участок. Mitsubishi Electric разместила в зоне истока дополнительный участок для управления последовательным сопротивлением МОП-транзистора с SiC (см. Рис. 1). Использование такой структуры снижает воздействие избыточного тока, вызыванного коротким замыканием. В результате, при времени КЗ характерном Si кристаллам, сопротивление в открытом состоянии нового МОП-транзистора на SiC было снижено на 40 процентов, что привело к снижению потерь энергии по сравнению с традиционными МОП-транзисторами на SiC более чем на 20 % (см. рис. 2).**

**Термином “сопротивление в открытом состоянии” обозначается одна из характеристик силового полупроводникового чипа, которая равна произведению площади кристалла на его сопротивление. Значение сопротивления в открытом состоянии снижается при уменьшении толщины чипа. Величина 40 % была получена путем сравнения сопротивления в открытом состоянии у нового устройства и традиционного МОП-транзистора на SiC класса 1200 В.

Новая упрощенная структура позволяет применять МОП-транзисторы на SiC в различных диапазонах напряжения. Эта проверенная и испытанная технология используется для защиты кремниевых компонентов от повреждения в случае коротких замыканий и может применяться к уже существующим МОП-транзисторам на SiC без каких-либо модификаций. Это обеспечивает легкость реализации функций защиты в оборудовании силовой электроники, использующем МОП-транзисторы на SiC.

Дальнейшие разработки

Группа разработчиков Mitsubishi Electric намерена работать над улучшением нового транзистора для начала его серийного производства с 2020 года.

Предпосылки

Полупроводниковые силовые устройства являются ключевыми компонентами устройств силовой электроники, применяемых в самых разных сферах, таких как бытовая техника, промышленное оборудование и электрический транспорт. Mitsubishi Electric достигает высоких КПД преобразования энергии за счет использования МОП-транзисторов на SiC в качестве полупроводниковых силовых устройств. Это позволяет удовлетворять требования к высокой энергоэффективности и компактности, необходимой в этих областях применения.

Возникающие в электронном оборудовании короткие замыкания могут вызвать сверхтоки, проходящие через полупроводниковые модули, что приводит к повреждениям или отказам. Для предотвращения этого необходимо устранить ток КЗ настолько быстро, насколько это возможно. Термином “время короткого замыкания” обозначается период времени, в течение которого устройство может выдержать избыточный ток. Поскольку сопротивление МОП-транзисторов на SiC ниже, чем в устройствах на основе кремния, избыточный ток у них будет выше, что приводит к сокращению времени короткого замыкания. Для защиты МОП-транзисторов на SiC от повреждений прерывание избыточного тока в таких устройствах должно осуществляться быстрее, чем в устройствах на основе кремния. Обычно это достигается путем включения в МОП-транзисторы специальных схем защиты.

Между временем короткого замыкания и сопротивлением в открытом состоянии существует еще одна взаимосвязь. Увеличение времени короткого замыкания требует повышенного сопротивления в открытом состоянии и большего размера кристалла. Разработчики долгое время стремились оптимизировать данное соотношение.

Структура нового силового устройства на SiC снижает ток короткого замыкания за счет увеличения сопротивления в результате повышения температуры, вызванного током короткого замыкания. В то же время при нормальных температурах сопротивление в открытом состоянии находится на низком уровне. Данная технология улучшает соотношение времени короткого замыкания и сопротивления в открытом состоянии. В результате МОП-транзисторы на SiC, имеющие предлагаемую структуру, способны одновременно обеспечивать высокую надежность и большой КПД при малых размерах.

Особенности

1)
Достижение высокой надежности и эффективности за счет новой структуры истока
Новая структура управления сопротивлением истока в МОП-транзисторе на SiC была разработана с включением в нее нескольких областей. При одинаковых уровнях сопротивления в открытом состоянии новое устройство обеспечивает подавление тока короткого замыкания, который может привести к отказу устройства. В результате допустимая продолжительность времени короткого замыкания устройства увеличивается.
При общем времени короткого замыкания с силовыми полупроводниковыми устройствами на основе кремния сопротивление в открытом состоянии нового устройства снижается на 60 %. Оно также на 40 % ниже, чем у МОП-транзисторов на SiC с обычной структурой (см. рис. 3).
2)
Упрощение структуры схемы
В области оборудования силовой электроники длительное время короткого замыкания позволяет упростить электрическую схему и одновременно повысить надежность. Новое устройство может применяться в качестве МОП-транзистора на SiC с различными значениями блокирующего напряжения и работать с существующими схемами защиты от короткого замыкания, используемыми для силовых полупроводниковых устройств на основе кремния.

Обратите внимание, что пресс-релизы являются актуальными на момент публикации и могут быть изменены без уведомления.