Circuitos integrados

MOSFET SiC de 4ª generación con la menor resistencia en conducción de la industria

Los vanguardistas MOSFET de SiC de 4ª generación de 1200 V de ROHM están optimizados para sistemas de grupos motopropulsores para automoción, incluido el inversor de accionamiento principal, así como para fuentes de alimentación aplicadas en equipos industriales.

En los últimos años, la proliferación de los vehículos eléctricos de última generación (xEV) ha acelerado el desarrollo de sistemas eléctricos más pequeños, ligeros y eficientes. En concreto, la mejora de la eficiencia y la reducción del tamaño del inversor principal que desempeña un papel central en el sistema de accionamiento sigue siendo uno de los desafíos más importantes y que requieren más avances en los dispositivos de potencia.

La capacidad de la batería de a bordo está aumentando para mejorar el rango de crucero de los vehículos eléctricos. Y en paralelo, el uso de baterías de alta tensión (800 V) también está progresando para satisfacer la demanda de tiempos de carga más cortos.

Para dar repuesta a tan diversos desafíos, los diseñadores necesitan urgentemente dispositivos de potencia de SiC capaces de proporcionar una alta tensión no disruptiva con bajas pérdidas. ROHM, una empresa pionera en cuanto al SiC, ya comenzó con la producción en masa de MOSFETS de SiC en 2010 situándose a la cabeza de la industria. Desde el principio, ROHM ha venido fortaleciendo su amplia gama para incluir productos con calificación AEC-Q101, lo que ha permitido a la empresa alcanzar una gran cuota de mercado en el sector de los cargadores de a bordo (OBC) para automóviles.

En el caso de los semiconductores de potencia, a menudo existe una relación de compensación entre una menor resistencia en conducción y el tiempo de resistencia al cortocircuito, que es necesaria para lograr un equilibrio y conseguir a su vez una menor resistencia en conducción de los MOSFET de SiC. ROHM ha sido capaz de mejorar con éxito esta relación de compensación y reducir la resistencia en conducción por unidad de área en un 40% en comparación con los productos convencionales, sin sacrificar el tiempo de resistencia al cortocircuito al mejorar aún más una estructura original de doble trinchera. Además, la reducción significativa de la capacitancia parásita (que es un problema que surge durante la conmutación) permite lograr una pérdida de conmutación un 50% menor en comparación con nuestra generación anterior de MOSFETs de SiC.

Como resultado, los nuevos MOSFETs de SiC de 4ª generación de ROHM son capaces de ofrecer una baja resistencia en conducción con un rendimiento de conmutación de alta velocidad, contribuyendo a una mayor miniaturización y a un menor consumo de energía en una amplia serie de aplicaciones, incluyendo inversores para automóviles y fuentes de alimentación conmutadas. Las muestras de chips sin encapsular están disponibles desde junio de 2020, con encapsulados específicos que se ofrecerán en un futuro próximo.

Como siguiente paso, ROHM se ha comprometido a seguir ampliando su gama de dispositivos de potencia de SiC, combinando al mismo tiempo las tecnologías de modularización con dispositivos periféricos como los circuitos integrados de control diseñados para maximizar el rendimiento a fin de contribuir a la innovación técnica en los vehículos de última generación. Al mismo tiempo, ROHM proporcionará soluciones que resuelvan problemas de los clientes, incluidas herramientas de simulación basadas en la web que reducen las horas de trabajo para el desarrollo de aplicaciones y ayudan a evitar problemas de evaluación.

Características clave


1) La estructura de trinchera (Trench por sus siglas en inglés)
mejorada ofrece la menor resistencia en conducción de la industria
En 2015, ROHM comenzó con la producción en masa de los primeros MOSFETS de SiC de tipo trinchera de la industria, utilizando una estructura original. Actualmente, ROHM ha conseguido reducir con éxito la resistencia en conducción en un 40% en comparación con los productos convencionales sin sacrificar el tiempo de resistencia al cortocircuito y mejorando aún más su estructura original de doble trinchera.
(fig. 1)

2) Menor pérdida de conmutación al reducir significativamente la capacitancia parásita
Generalmente, las resistencias en conducción más bajas y las corrientes más altas tienden a aumentar las diversas capacitancias parásitas en los MOSFET, lo que puede inhibir las características inherentes de conmutación de alta velocidad del SiC.
Sin embargo, ROHM ha sido capaz de lograr un 50% menos de pérdidas de conmutación en comparación con los productos convencionales al reducir significativamente la capacitancia de compuerta-drenaje (Cgd).
(fig. 2)

Terminología de un vistazo:
Los transistores de efecto de campo de material semiconductor de óxido metálico (MOSFET, por sus siglas en inglés) son la estructura más comúnmente usada en los FET. A menudo se adoptan como elementos de conmutación.

El tiempo de resistencia al cortocircuito indica el tiempo que tarda un MOSFET en llegar al fallo debido a un cortocircuito. Normalmente, cuando se produce un cortocircuito, fluye una corriente grande que supera la máxima capacidad. Esto puede conducir a una generación anormal de calor, fuga térmica y , en última instancia, a la destrucción. El tiempo de resistencia al cortocircuito más largo está en una relación de compensación con características de rendimiento más altas, como la resistencia en conducción.

Estructura de doble trinchera (Trench por sus siglas en inglés)
Se trata de la estructura de trinchera original de ROHM. Aunque se ha demostrado que la adopción de una estructura de trinchera para los MOSFET de SiC era eficaz para reducir la resistencia en conducción, era necesario mitigar el campo eléctrico generado en la sección de puerta en trinchera para garantizar la fiabilidad a largo plazo del dispositivo. En respuesta, ROHM adoptó una estructura única de doble trinchera que minimiza la concentración del campo eléctrico, lo que le permitió convertirse en el primer proveedor en producir en masa MOSFETS de SiC de tipo trinchera en 2015.

La capacitancia parásita es la capacitancia inherente que se produce debido a la estructura física dentro de los componentes electrónicos. En el caso de un MOSFET, hay una capacitancia de puerta-fuente (Cgs), una capacitancia de puerta-drenaje (Cgd) y una capacitancia de drenaje-fuente (Cds). Cgs y Cgd se determinan por la capacitancia de la película de óxido de puerta, mientras que Cds es la capacitancia de unión del diodo parásito.

Estructura de trinchera (Trench por sus siglas en inglés)
La palabra «trinchera» significa una excavación o ranura estrecha. Este diseño implica la formación de una ranura en la superficie del chip y la puerta en la pared lateral del MOSFET. Las resistencias JFET no existen en comparación con una configuración de MOSFET de tipo planar, lo que permite lograr una estructura más fina que las topologías planares, dando como resultado una resistencia en conducción cercana al rendimiento original del material SiC.

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