低损耗MOS可控存储载流子二极管

Low-Loss MOS-Controllable Stored-Carrier Diode

查看原文 · IEEE Xplore DOI: 10.1109/TED.2025.10970250

作者	Hiroshi Suzuki · Tomoyuki Miyoshi · Takashi Hirao · Yusuke Takada · Tomoyasu Furukawa · Mutsuhiro Mori
期刊	IEEE Transactions on Electron Devices
出版日期	2025年4月
技术分类	电动汽车驱动
相关度评分	★★★★ 4.0 / 5.0
关键词	金属氧化物半导体可控存储载流子二极管开关损耗导通损耗原型器件 pn二极管

语言:

中文摘要

我们先前提出了一种金属氧化物半导体可控存储载流子二极管（MOSD），以突破传统 p - n 二极管在导通损耗和开关损耗之间的折衷问题。这种 MOSD 的结构是在阳极区域添加一个 n 沟道金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET），用于动态控制存储载流子密度。本研究的仿真结果表明，由于深 p⁻ 层完全覆盖 MOS 栅极，与 MOSFET 中的栅控体二极管相比，我们的 MOSD 的开关损耗能够充分降低。窄单元宽度和电子阻挡层（EBL）分别是我们 MOSD 的特性，它们也分别增强了开关损耗和正向电压（$V_{\text {F}}$）的降低效果。为验证这一概念，我们制作了一个 6.5 kV 的 MOSD 原型。由具有存储载流子时间和空间控制（TASC）功能的高导电性绝缘栅双极晶体管（IGBT）驱动的该 MOSD 与由平面栅 IGBT 驱动的传统 p - n 二极管相比，开关损耗降低了 43%，正向电压（$V_{\text {F}}$）降低了 1.0 V。

English Abstract

We previously proposed a metal-oxide–semiconductor-controllable stored-carrier diode (MOSD) to break through the tradeoff between conduction loss and switching loss with a conventional p-n diode. The structure of this MOSD consists of an n-channel metal-oxide–semiconductor field-effect transistor (MOSFET) added to the anode region, which dynamically controls the stored-carrier density. The simulation results for this study indicated that the switching loss for our MOSD can be sufficiently reduced compared with that for a gate-controlled body diode in a MOSFET due to the deep p− layer completely covering the MOS gate. The narrow cell width and electron barrier layer (EBL), which are characteristics of our MOSD, also enhance the reducing effect of switching loss and forward voltage ( V_ F ), respectively. To verify this concept, we fabricated a prototype 6.5-kV MOSD. This MOSD, driven by a high-conductivity insulated gate bipolar transistor (IGBT) with time and space control of stored carriers (TASC), demonstrated a lower switching loss of −43% and lower V_ F of −1.0 V compared with those for a conventional p-n diode driven by a planar-gate IGBT.

SunView 深度解读

从阳光电源的业务视角来看，这项MOS可控储载二极管（MOSD）技术对我们在光伏逆变器和储能变流器领域具有重要的战略价值。该技术通过在阳极区集成n沟道MOSFET来动态控制载流子密度，成功突破了传统p-n二极管导通损耗与开关损耗之间的固有矛盾，这正是我们高功率密度产品设计中长期面临的核心瓶颈。

从技术指标来看，该6.5kV原型器件相比传统p-n二极管实现了43%的开关损耗降低和1.0V的正向压降减小，这意味着在我们的大功率集中式逆变器和储能PCS系统中，可显著提升系统效率并降低散热需求。特别是在1500V高压光伏系统和大型储能电站应用中，开关损耗的大幅降低将直接转化为度电成本的下降和系统可靠性的提升。

该技术采用的窄单元宽度设计和电子势垒层（EBL）结构，与我们当前使用的SiC和IGBT技术路线具有良好的兼容性。论文中提到与高导通IGBT的协同工作模式，为我们混合开关拓扑的优化提供了新思路。然而，技术成熟度方面仍需关注：6.5kV电压等级虽适合中压应用，但需要评估向更高电压等级扩展的可行性；MOS栅极控制的复杂驱动电路可能增加系统成本；长期可靠性和量产工艺的稳定性还需验证。

建议我们的研发团队深入跟踪该技术的产业化进程，评估在下一代组串式逆变器和模块化储能系统中的应用潜力，同时考虑与现有供应链的整合可能性，抢占功率半导体技术迭代的先机。