電子發(fā)燒友網(wǎng)報(bào)道(文/梁浩斌)電力系統(tǒng)無處不在,近幾年隨著新能源汽車以及清潔能源、儲能等需求增長,功率器件受到了市場更多的關(guān)注。8月28至30日在深圳國際會展中心舉行的國際電力元件、可再生能源管理展會PCIM Asia2024上,眾多海內(nèi)外功率半導(dǎo)體廠商都展示出最新的技術(shù)和產(chǎn)品。在本次展會上,電子發(fā)燒友網(wǎng)探訪了東芝半導(dǎo)體的展臺,了解到東芝在大功率器件以及第三代半導(dǎo)體方面的新品和技術(shù)。
大功率器件IEGT
東芝在這次展會上展出了其最新的大功率器件IEGT(柵極注入增強(qiáng)型晶體管),在3300V至6500V的規(guī)格內(nèi)新增了多款產(chǎn)品,以滿足不同客戶、不同應(yīng)用的需求,包括ST1000GXH35、ST1500GXH35A等型號。
據(jù)東芝電子元件(上海)有限公司技術(shù)部副總監(jiān)屈興國介紹,IEGT是東芝在20世紀(jì)90年代末注冊的專利名稱,是基于IGBT的一種功率器件技術(shù),主要被用于柔性直流輸配電、列車牽引、高壓變頻器、風(fēng)力發(fā)電等領(lǐng)域。
在高壓應(yīng)用中,傳統(tǒng)的IGBT結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的阻斷電壓,會因?yàn)榘l(fā)射極側(cè)N基區(qū)的電阻,造成較高的導(dǎo)通損耗。為了解決這個問題,東芝在IGBT的基礎(chǔ)上開發(fā)出柵極注入增強(qiáng)的技術(shù),制造出IEGT。根據(jù)東芝官網(wǎng)的描述,該結(jié)構(gòu)設(shè)置了深而寬的溝槽柵電極,所以,穿過發(fā)射極電極的阻抗會變大,將有效抑制載流子的穿越。其結(jié)果是會造成載流子蓄積,N 基區(qū)的載流子分布在發(fā)射極電極側(cè)將不斷增加。我們把這種載流子的注入蓄積效果稱之為注入增強(qiáng)效果(Injection Enhancement Effect)。采用這種柵結(jié)構(gòu)之后,即使是實(shí)現(xiàn)了耐高壓也可有效抑制電壓降的增大,從而降低導(dǎo)通損耗。
在現(xiàn)場展示的大功率IEGT采用PPI壓接式封裝,電壓等級最高達(dá)到6500V,最大電流等級達(dá)到3000A。而采用PPI壓接式封裝的IEGT共有兩種類型,分別是內(nèi)置二極管以及不帶二極管的類型,主要差異在于應(yīng)用對于電流的需求。屈興國舉例,在一個125毫米平臺的PPI封裝中總共有42個小方格,比如中間放了30顆IEGT,其他12個方格放了二極管,那么最大電流可以做到2000A;如果客戶電流需求更大,比如3000A,那么就需要在42個方格中全部放上IEGT芯片,另外在外圍再搭配所需二極管。
對于客戶而言,壓接式封裝器件可能較難使用,針對這個問題,東芝與第三方共同開發(fā)了半橋拓?fù)涞腎EGT壓接組件方案,采用了兩顆4.5kV/2kA/內(nèi)置二極管的壓接式IEGT,該裝置為器件提供5KN左右的壓力,適用于新客戶進(jìn)行雙脈沖測試,以便客戶能夠快速了解東芝器件的性能,從而縮短開發(fā)周期,具備高可靠性和高效率。
另外東芝還展出了4.5 kV雙柵極RC-IEGT,主要特點(diǎn)是在IEGT模式下可降低關(guān)斷損耗,在二極管模式下能減少反向恢復(fù)損耗,同時結(jié)合柵極控制技術(shù),實(shí)際測量值中總開關(guān)損耗可降低16%,而導(dǎo)通損耗沒有任何增加。
碳化硅模塊以及內(nèi)置SBD的碳化硅MOSFET
據(jù)介紹,東芝在碳化硅領(lǐng)域的布局是先做碳化硅模塊再推進(jìn)單管產(chǎn)品。碳化硅模塊產(chǎn)品量產(chǎn)時間相對較早,目前主要是針對軌道交通等牽引應(yīng)用。目前東芝量產(chǎn)的碳化硅模塊產(chǎn)品已經(jīng)覆蓋1200V、1700V、2200V、3300V電壓等級,并采用了一種名為iXPLV的銀燒結(jié)技術(shù)。
在碳化硅MOSFET上,東芝目前已經(jīng)迭代到第三代碳化硅MOSFET產(chǎn)品,主要面向充電樁、數(shù)據(jù)中心、新能源發(fā)電、電機(jī)等應(yīng)用。東芝的碳化硅MOSFET與其他公司產(chǎn)品的最大區(qū)別是內(nèi)置了SBD,而非使用本體PN結(jié)二極管。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢在于,內(nèi)置的SBD通態(tài)電壓更低,因此電流會從SBD中通過,從而抑制導(dǎo)通電阻早期的漂移、MOSFET雙極退化、大大提高了器件的可靠性。
在第二代的基礎(chǔ)上,東芝第三代碳化硅MOSFET再通過優(yōu)化單元結(jié)構(gòu),令代表導(dǎo)通損耗和開關(guān)損耗之間關(guān)系的性能指標(biāo)RDS(ON)×Qgd,相比東芝現(xiàn)有的第二代碳化硅MOSFET降低80%。同時東芝第三代碳化硅MOSFET柵源控制電壓范圍是-10至25 V,比其他公司產(chǎn)品的電壓范圍更寬,從而提高了便利了客戶的柵極驅(qū)動設(shè)計(jì)。
對于近年熱門的電動汽車市場,東芝在各種車規(guī)分立器件上一直都有穩(wěn)定的出貨;在碳化硅方面,屈興國表示東芝在國內(nèi)更加傾向于晶圓銷售的模式,比如將碳化硅晶圓出售給模塊廠商進(jìn)行封裝,這也是應(yīng)對目前碳化硅器件市場內(nèi)卷的一種方式。
小結(jié):
在PCIM Asia2024上可以看到,東芝半導(dǎo)體在傳統(tǒng)的大功率硅基功率器件上持續(xù)保持創(chuàng)新,并應(yīng)對市場需求不斷推出新的型號,展現(xiàn)出老牌功率半導(dǎo)體廠商的實(shí)力;而在第三代半導(dǎo)體方面,東芝半導(dǎo)體也通過器件結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新,為市場帶來了差異化產(chǎn)品,滿足了更多不同客戶的需求。隨著清潔能源需求的不斷增長,包括新能源發(fā)電、輸配電、列車牽引等領(lǐng)域?qū)懈蟮氖袌鲈鲩L空間,東芝半導(dǎo)體借助功率器件產(chǎn)品上的技術(shù)優(yōu)勢,也將會獲得更多市場機(jī)會。
大功率器件IEGT
東芝在這次展會上展出了其最新的大功率器件IEGT(柵極注入增強(qiáng)型晶體管),在3300V至6500V的規(guī)格內(nèi)新增了多款產(chǎn)品,以滿足不同客戶、不同應(yīng)用的需求,包括ST1000GXH35、ST1500GXH35A等型號。
東芝IEGT
據(jù)東芝電子元件(上海)有限公司技術(shù)部副總監(jiān)屈興國介紹,IEGT是東芝在20世紀(jì)90年代末注冊的專利名稱,是基于IGBT的一種功率器件技術(shù),主要被用于柔性直流輸配電、列車牽引、高壓變頻器、風(fēng)力發(fā)電等領(lǐng)域。
在高壓應(yīng)用中,傳統(tǒng)的IGBT結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的阻斷電壓,會因?yàn)榘l(fā)射極側(cè)N基區(qū)的電阻,造成較高的導(dǎo)通損耗。為了解決這個問題,東芝在IGBT的基礎(chǔ)上開發(fā)出柵極注入增強(qiáng)的技術(shù),制造出IEGT。根據(jù)東芝官網(wǎng)的描述,該結(jié)構(gòu)設(shè)置了深而寬的溝槽柵電極,所以,穿過發(fā)射極電極的阻抗會變大,將有效抑制載流子的穿越。其結(jié)果是會造成載流子蓄積,N 基區(qū)的載流子分布在發(fā)射極電極側(cè)將不斷增加。我們把這種載流子的注入蓄積效果稱之為注入增強(qiáng)效果(Injection Enhancement Effect)。采用這種柵結(jié)構(gòu)之后,即使是實(shí)現(xiàn)了耐高壓也可有效抑制電壓降的增大,從而降低導(dǎo)通損耗。
在現(xiàn)場展示的大功率IEGT采用PPI壓接式封裝,電壓等級最高達(dá)到6500V,最大電流等級達(dá)到3000A。而采用PPI壓接式封裝的IEGT共有兩種類型,分別是內(nèi)置二極管以及不帶二極管的類型,主要差異在于應(yīng)用對于電流的需求。屈興國舉例,在一個125毫米平臺的PPI封裝中總共有42個小方格,比如中間放了30顆IEGT,其他12個方格放了二極管,那么最大電流可以做到2000A;如果客戶電流需求更大,比如3000A,那么就需要在42個方格中全部放上IEGT芯片,另外在外圍再搭配所需二極管。
另外東芝還展出了4.5 kV雙柵極RC-IEGT,主要特點(diǎn)是在IEGT模式下可降低關(guān)斷損耗,在二極管模式下能減少反向恢復(fù)損耗,同時結(jié)合柵極控制技術(shù),實(shí)際測量值中總開關(guān)損耗可降低16%,而導(dǎo)通損耗沒有任何增加。
碳化硅模塊以及內(nèi)置SBD的碳化硅MOSFET
據(jù)介紹,東芝在碳化硅領(lǐng)域的布局是先做碳化硅模塊再推進(jìn)單管產(chǎn)品。碳化硅模塊產(chǎn)品量產(chǎn)時間相對較早,目前主要是針對軌道交通等牽引應(yīng)用。目前東芝量產(chǎn)的碳化硅模塊產(chǎn)品已經(jīng)覆蓋1200V、1700V、2200V、3300V電壓等級,并采用了一種名為iXPLV的銀燒結(jié)技術(shù)。
在碳化硅MOSFET上,東芝目前已經(jīng)迭代到第三代碳化硅MOSFET產(chǎn)品,主要面向充電樁、數(shù)據(jù)中心、新能源發(fā)電、電機(jī)等應(yīng)用。東芝的碳化硅MOSFET與其他公司產(chǎn)品的最大區(qū)別是內(nèi)置了SBD,而非使用本體PN結(jié)二極管。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢在于,內(nèi)置的SBD通態(tài)電壓更低,因此電流會從SBD中通過,從而抑制導(dǎo)通電阻早期的漂移、MOSFET雙極退化、大大提高了器件的可靠性。
在第二代的基礎(chǔ)上,東芝第三代碳化硅MOSFET再通過優(yōu)化單元結(jié)構(gòu),令代表導(dǎo)通損耗和開關(guān)損耗之間關(guān)系的性能指標(biāo)RDS(ON)×Qgd,相比東芝現(xiàn)有的第二代碳化硅MOSFET降低80%。同時東芝第三代碳化硅MOSFET柵源控制電壓范圍是-10至25 V,比其他公司產(chǎn)品的電壓范圍更寬,從而提高了便利了客戶的柵極驅(qū)動設(shè)計(jì)。
對于近年熱門的電動汽車市場,東芝在各種車規(guī)分立器件上一直都有穩(wěn)定的出貨;在碳化硅方面,屈興國表示東芝在國內(nèi)更加傾向于晶圓銷售的模式,比如將碳化硅晶圓出售給模塊廠商進(jìn)行封裝,這也是應(yīng)對目前碳化硅器件市場內(nèi)卷的一種方式。
小結(jié):
在PCIM Asia2024上可以看到,東芝半導(dǎo)體在傳統(tǒng)的大功率硅基功率器件上持續(xù)保持創(chuàng)新,并應(yīng)對市場需求不斷推出新的型號,展現(xiàn)出老牌功率半導(dǎo)體廠商的實(shí)力;而在第三代半導(dǎo)體方面,東芝半導(dǎo)體也通過器件結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新,為市場帶來了差異化產(chǎn)品,滿足了更多不同客戶的需求。隨著清潔能源需求的不斷增長,包括新能源發(fā)電、輸配電、列車牽引等領(lǐng)域?qū)懈蟮氖袌鲈鲩L空間,東芝半導(dǎo)體借助功率器件產(chǎn)品上的技術(shù)優(yōu)勢,也將會獲得更多市場機(jī)會。
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