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功率器件技术 SiC器件 ★ 4.0

嵌入多晶硅二极管的SiC MOSFET以提升短路能力与电学特性

SiC MOSFET with Embedded Polysilicon Diode for Improved Short-circuit Capability and Electrical Characteristics

作者 Xintian Zhou · Xin Ding · Yun Tang · Yunpeng Jia · Dongqing Hu · Yu Wu
期刊 IEEE Electron Device Letters
出版日期 2025年9月
技术分类 功率器件技术
技术标签 SiC器件
相关度评分 ★★★★ 4.0 / 5.0
关键词 碳化硅MOSFET 多晶硅二极管 短路保护 电气特性 高可靠性应用
语言:

中文摘要

本文提出了一种嵌入多晶硅二极管的新型碳化硅(SiC)金属 - 氧化物 - 半导体场效应晶体管(PSD - MOS)。该多晶硅二极管(PSD)通过对多晶硅栅进行有意掺杂形成,并与 SiC MOSFET 的栅源(GS)端反并联。当发生短路(SC)事件时,器件的晶格温度会显著上升。利用 PSD 的温度相关反向泄漏特性,可有效调节由驱动器、栅极电阻 <inline-formula xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink"> <tex-math notation="LaTeX">${R}_{\text {G}}$ </tex-math></inline-formula> 和 GS 端组成的驱动回路的电压分布。结果是,栅源电压 <inline-formula xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink"> <tex-math notation="LaTeX">${V}_{\text {GS}}$ </tex-math></inline-formula> 降低,同时短路电流减小,最终使器件能够安全关断。技术计算机辅助设计(TCAD)仿真表明,PSD - MOS 甚至能完全避免短路失效。此外,与传统的 SiC MOSFET(C - MOS)相比,其电气特性显著增强,表现为电容、栅极电荷和开关损耗均降低。这表明所提出的 PSD - MOS 在高可靠性和高性能应用方面具有巨大潜力。

English Abstract

A novel SiC MOSFET with embedded polysilicon diode (PSD-MOS) is proposed in this letter. The PSD, which is formed through intentional doping within the polysilicon gate, is connected in anti-parallel with the GS terminal of the SiC MOSFET. When a short-circuit (SC) event occurs, the lattice temperature of device rises significantly. Leveraging the temperature-dependent reverse leakage characteristic of the PSD, the voltage distribution across the drive loop composed of the drive, gate resistance R_ G , and GS terminal is effectively regulated. As a result, V_ GS is reduced, accompanied by a decrease in SC current, thus enabling the safe turn-off of the device ultimately. TCAD simulations demonstrate that the PSD-MOS can even provide complete immunity against SC failure. Furthermore, in comparison to the conventional SiC MOSFET (C-MOS), its electrical characteristics are notably enhanced, as evidenced by reduced capacitance, gate charge, and switching losses. This indicates that the proposed PSD-MOS holds significant potential for high-reliability and high-performance applications.
S

SunView 深度解读

从阳光电源的业务视角来看,这项嵌入式多晶硅二极管SiC MOSFET技术具有重要的战略价值。在光伏逆变器和储能变流器等核心产品中,SiC MOSFET已成为提升系统效率和功率密度的关键器件,但短路保护能力不足一直是制约其大规模应用的痛点。

该技术的创新在于通过在栅极多晶硅中集成PSD二极管,利用其温度敏感的反向漏电特性实现自适应保护。当短路事件导致结温急剧上升时,PSD的漏电增加会自动降低栅源电压,从而抑制短路电流并实现安全关断。这种"无源自保护"机制对阳光电源的高可靠性要求极具吸引力,特别是在储能系统和大型地面电站等对安全性要求严苛的应用场景。

从性能指标看,该技术不仅提升了短路耐受能力,还同步改善了电容、栅极电荷和开关损耗等关键参数,这意味着可以在保证安全性的同时进一步提升系统效率。对于阳光电源追求98%以上逆变器效率和更高功率密度的产品路线图,这种性能提升具有直接的商业价值。

然而,技术成熟度仍需评估。论文基于TCAD仿真验证,实际器件的工艺稳定性、PSD参数一致性、长期可靠性以及与现有SiC产业链的兼容性都需要进一步验证。建议阳光电源与上游SiC器件供应商建立联合开发机制,在定制化器件中率先导入该技术,并在实验室环境下进行充分的可靠性测试。若技术成熟,将为公司在新能源装备的差异化竞争中构筑重要的技术壁垒。