英飛凌はすでにその第2世代CoolSIC mosfetデバイスを発表し、電圧レベルは650 V、1200 Vと3300 Vで、電気自動車の充電、工業用太陽エネルギーインバータ、サーボドライバ、UPSと鉄道牽引などの高圧工業応用に向けている。サーバーの力率補正、多段太陽光トポロジー、高出力ドライバなどの低圧応用に対して、英飛凌は400 V SiC MOSFETを発売し、そのチャネル抵抗範囲は11 mΩから45 mΩで、2種類の異なる4ピンパッケージ--TOLLとD 2 PAK-7を採用する。

工業級CoolSiC MOSFET 650 Vディスクリートの概要

英飛凌の最新650 V分立式MOSFETは、第2世代（G 2）SiCトレンチ技術に基づいている。第1世代（G 1）CoolSiCトレンチは、信頼性の高いパフォーマンスを提供し、パフォーマンスと信頼性の間で業界をリードするバランスを取ることに重点を置いています。これらの特性は、新しいSiCテクノロジーに対するお客様の信頼を得るのに役立ちます。G 2はこれに基づいて、ゲート酸化層（GoX）に対するG 1の信頼性とロバスト性を維持しながら、より良い性能、より大きな使用柔軟性と先進的なパッケージ技術を追加した。英飛凌第2世代SiC MOSFETのスイッチング挙動が注目されている。図1に示す性能係数（FOM）図は、前世代と比較して顕著な改善を強調している。

図1

強力なFOMは、ソフトスイッチングトポロジの典型的な特徴である、ブリリアントのG 2 SiC MOSFETが高周波設計にうまく適応できることを示している。全体的には、より高いシステム電力密度を実現することができます。興味深いことに、CoolSiC G 2のスイッチング性能の改善は熱係数の増加をバランスさせている。図2は、25 CにおけるRonの温度依存性と代数の異なるブリリアント650 Vパワーデバイス技術を示す。125 Cでは、CoolSiC G 2のR onはG 1より12%増加した。しかし、それは依然としてCoolGaNG 1とCoolMOS 7の少なくとも20%未満である。

図2

デバイス抵抗の温度依存性はより強く、これは特にシステムレベル評価時にCoolSiC MOSFET 650 VG 2の全体的な性能に影響を与えない。システム損失は通常、伝導損失とスイッチング損失の総和である。伝導損失は主にR onと関係があるが、スイッチング損失は異なるパラメータに依存する。CoolSiC MOSFET G 2の最適なスイッチング挙動は温度によるRonのより顕著な増加を相殺するのに役立つ。それはG 2を優れた表現にし、3.3 kW連続伝導モードトーテム（CCM）極PFC測定において図3に示すように99.2%の安定ピーク効率を達成した。

図3

性能に加えて、CoolSiC G 2は設計をより簡単にします。それは-7 Vから23 Vまでの広範な駆動電圧を提供し、寄生オン効果が無視できるレベルに低下したため、0 Vオフを優れてサポートする。0 Vオフにより、単極設計の簡略化されたゲート駆動方式を使用することができ、それによりシリコンベースの超接合MOSFETとの互換性を確保することができる。

もう1つの一般的なお客様の痛い点は、システムの信頼性です。特に工業用途では、高可用性と低メンテナンスコストが強く求められています。信頼性の観点から見ると、第2世代CoolSiC MOSFETは同類製品の中で最も良く、市場にあるすべてのSiC MOSFET代替品の中で最も良いゲート酸化物堅牢性を利用し、宇宙線のロバスト性を高めた。

第2世代CoolSiC技術のいくつかのユニークな側面は、先進的なパッケージ技術によってさらに強化されている。例えば、すべての分離式G 2製品が採用する.XT相互接続――デバイスの熱抵抗（Rth，jc）を低減する独自のチップ実装技術である。2024年半ばまでに、CoolSiC製品の組み合わせは上部冷却パッケージ（TOLT）によって補充される。上部冷却SMD分割型MOSFETはTOとSMDパッケージの利点を結合した--電力密度を高め、組立コストを削減し、更新を可能にし、より効率的な設計を可能にした。

製品ポートフォリオをさらに拡張するために、英飛凌は特定の8 x 8パッケージを採用した第2世代650 V技術（ThinTOLL）の発売にも力を入れている。ThinTOLLは、任意の8 x 8と完全に互換性があると同時に、標準の8 x 8より4倍高いオンボード熱サイクル（TCoB）能力を提供します。

要するに、新しい650 V電圧レベルは、第2世代CoolSiC MOSFETの性能、使いやすさ、信頼性を十分に活用し、先進的なパッケージ技術に基づいてG 2の優位性をさらに強化することができます。

1200 V MOSFETシリーズ

勇ましいXTチップ相互接続技術は、優れた熱性能を提供しながら、より小さな外形寸法を実現することができる。採用XTの新型CoolSiC MOSFET 1200 VG 2は、図4に示すように、チップ接続プロセスを改良したため、結び目熱抵抗が12%向上した。したがって、より高い出力電流とより長いデバイス寿命を実現することができる。XT技術は拡散溶接方法を採用し、接続空隙を最大限に減少させ、チップ接続層の厚さを低下させる。

図4

SiC MOSFETは、従来のシリコン系MOSFETに比べて高い温度で動作する能力で知られている。SiC MOSFET技術とメーカーによって具体的な温度定格は異なる可能性がありますが、ほとんどのSiC MOSFETの設計は175 Cまでの接合温度で確実に動作することができます。英飛凌のCoolSiC MOSFET 1200 VG 2は200 Cまでの温度で動作でき、累計総時間は100時間である。このデバイス仕様を導入するのは、過負荷条件下で信頼性を高め、エンジニアにより大きなシステム設計の自由度を提供するためです。SiC MOSFETが短時間の過負荷に耐える能力は、様々な応用における重要な考慮要素である。産業用モータドライバでは、突然の負荷変化、追加のトルク需要、さらには電源変動によって過負荷が発生することもあり、この場合、より高い接合温度マージンが有用である。太陽エネルギーインバータと並列ネットワーク応用は過負荷状況を示す他の良い例であり、電力網電圧の変動は電源コンバータの動作に影響を与えるためである。電圧の急降下はコンバータの出力電力に影響を与え、一時的に電力損失を増加させ、深刻な場合にはシステムと電力網を完全に切断することもある。電気自動車の充電用途では、充電器の電圧変動が重要である。入力電圧が低下すると、電流が一時的に増加し、電力デバイスに追加の圧力を与える可能性があります。図5は、より高い温度制限による8 mΩデバイスの電流能力拡大の一例を示す。灰色曲線は典型的なパワー半導体を表し、接合温度は175 Cに制限されている。対照的に、CoolSiC G 2の緑色曲線は、同じ動作点（すなわち150 C）でより多くの電流を実現できることを示している。

図5

同じ動作条件下で、G 2デバイスIMBG 120 R 026 M 2 HとG 1デバイスIMBG 120 R 030 M 1 Hに対して詳細な損失比較を行ったところ、G 2デバイスの伝導損失は0.7 W（~ 3.5%）、総スイッチング損失は5.75 W（~ 23%）減少した。損失の減少とRthのため、jcはより良く、その全体の動作接合温度も低い。

デッドスペース時間を短縮し、より多くのメリットをもたらす

現在のMOSFETは、数十ナノ秒（ns）の範囲で切り替えることができる。データテーブルに提供されるスイッチングエネルギー曲線は、第3象限動作における駆動電圧のデッドタイム（ボディダイオードがチャネルを開く前にオンする時間）を低減することにより、デバイス回復損失とオン損失を大幅に低減できることを示している。推奨されるデッドタイムの範囲は150 nsから300 nsです。提案値を実施することにより、公称デバイス値に比べて、オープン損失を20%、回復損失を40%削減することができる。

デッドタイム制限は、デバイスや回路における寄生効果、ゲートドライバの速度、スイッチング電流レベルなど、さまざまな要因に依存します。最適なG 2デバイスを用いたCoolSiC MOSFET G 1の置換は、スイッチの寄生容量が改善されているため、所要デッドタイムを30%短縮することができる。これは、単純なプラグアンドプレイをMOSFETに置き換える場合でも、設計により大きなマージンを提供します。

2 kVディスクリートCoolSiC MOSFET

新型2 kVディスクリートCoolSiC MOSFETは、より効率的でコスト効率が高く、より簡略化されたエネルギー貯蔵および光起電力システム設計の開発に役立ち、これらの応用におけるより高い直流チェーン電圧の日増しに増加する需要を満たす。

電力レベルを高めるために、光起電力システムはより高いシステム電圧へ移行している--1500 V DCはますます流行している。この転換は、電力損失とシステムコストを削減し、再生可能エネルギーをより手頃にすることを目的としている。

直流リンク電圧1500 Vの太陽エネルギーインバータを設計するには、2つの選択肢があります。第1の選択肢は、直流−直流最大電力点追跡（MPPT）段として3段昇圧器を使用し、直流−交流段として能動中性点クランプ（ANPC）などの3段トポロジを使用することである。両レベルとも1200 Vレベルのデバイスを使用して、システム設計の安全性と信頼性を確保しています。しかし、この方法は比較的複雑で、部品の数も多い。2つ目の選択肢は、簡略化された2レベルのトポロジとより高い電圧レベルのデバイスを使用することです。使用する半導体装置の性能に応じて、この方法はより効率的になる可能性があります。設計者は通常、システムコストを最適化し、設計の柔軟性を高め、TCOを削減するためにディスクリートデバイスを選択します。

現在、最高電圧レベルで最も一般的なディスクリート半導体装置は1700 V装置である。簡略化された2次トポロジを有する1500 V太陽エネルギーインバータシステムに1700 V級MOSFETを使用することは可能な選択肢のようだが、宇宙放射による故障の影響を考慮しなければならない。これらの障害は、遮断電圧が定格電圧の80%を超えると急激に増加する。そのため、2レベルのトポロジを有する1500 V太陽エネルギーインバータシステムに1700 VレベルのMOSFETを使用すると、その故障率が大幅に増加する。

　　2kV CoolSiC MOSFET

ブリリアント・ブリリアント・パッケージを採用した新しいCoolSiC MOSFET 2 kVは、設計上の課題と信頼性の問題を緩和します。2 kV CoolSiC MOSFETとダイオードを用いた太陽エネルギーインバータの性能とBOMを1200 Vデバイスを用いたインバータ設計と比較した。系統的シミュレーションの結果、CoolSiC 2 kVを用いた2段昇圧段の損失は1200 V MOSFETを用いた3段昇圧段より20%低いことが分かった。同様に、CoolSiC 2 kVを用いた2段DC−AC段の電力損失は、1200 Vデバイスを用いた3段ANPC段より15%低かった。PCIM 2024上の論文「1500 V DCリンクシステムにおけるCoolSiC 2 kV SiC MOSFETディスクリートデバイスの性能評価」では、シミュレーションと測定データの詳細な分析を紹介する。

図6

新型CoolSiC 2 kVは新型分立式TO-247 PLUS-4-HCC高沿電距離と間隙パッケージ（図6に示す）を採用し、高圧絶縁の安定性と信頼性のある運転を確保することができる。製品の組み合わせはCoolSiC MOSFET 2 kVとSchottkyダイオード2 kVを含み、最適なスイッチング性能と高遮断電圧を持ち、1500 V DCシステムの理想的な選択である。新型2 kV MOSFETのこれらの特性は、効率的で部品点数が低く、システムサイズと重量が小さいアプリケーションを必要とする理想的なソリューションとなるように、シンプルで信頼性の高い設計を開発することを可能にします。

高出力炭化ケイ素モジュール

英飛凌は頑丈で耐久性のある2種類を発売した。XT相互接続技術の新型3.3 kV級炭化ケイ素（SiC）モジュールは、電源と技術分野の基準をさらに向上させた。これらのモジュールは、タスク要件が高く、サイクル要件が高いアプリケーションに高電力（~ 1.5 MW）を提供することを目的としています。次のモジュールがあります。

FF 2000 UXTR 33 T 2 M 1：室温オン抵抗は1.9 mΩ、公称電流定格は1000 A

FF 2600 UXTR 33 T 2 M 1：室温オン抵抗は2.5 mΩ、公称電流定格は750 A

3.3 kV定格電圧のCoolSiC MOSFETは最適化され、高速スイッチと低発振傾向があり、それによって総動的損失を低減した。同期整流モードでXHP 2 CoolSiC MOSFETを使用し、デッドタイムを最適化することで、150 C時の総動的損失をさらに約30%低減することができる。これは、整合体ダイオードを介して負荷電流が伝導する間に、継続的な段階の開始と終了の時間を短縮することを意味する。CoolSiC MOSFET 3.3 kVは対称設計と低インダクタンス（LS＝10 nH）XHP 2パッケージを採用し、高電圧と大電流応用における高速スイッチSiC MOSFETの潜在力を十分に利用することができる。

新しいSiCパワーモジュールがトラクションコンバータに提供できるより高いパワー密度を際立たせるために、我々はその性能を3.3 kV IGBT IHVの性能と比較し、後者は依然として多くの鉄道トラクションコンバータで使用されている。具体的には、3.3 kV IGBT IHVソリューション（FZ 2400 R 33 H 34）に基づく2段3相モータインバータの性能と、新型3.3 kV SiC XHP 2モジュール（2個並列FF 2000 UXTR 33 T 2 M 1）に基づく2段3相モータインバータの性能を比較した。

比較は1800 V直流リンク電圧（VDC）、力率（pf）0.9、変調指数（m）0.9、水冷放熱器の60 C冷却液温度（Ta）で行った。敷地面積を50%近く削減するほか、SiCベースのソリューションは総損失を50%削減し、同じスイッチング周波数（1.5 kHz）で出力電流を50%増加させるか、1.5 kHzではなく4倍の高スイッチング周波数（6 kHz）で出力電流を同じにする。

XHP 2 CoolSiC MOSFETの主な特性には、より低い損失、より高いスイッチング周波数、より高い電力密度が含まれており、これらの特性は様々なシステムの利点に直接変換することができる。より低い損失は、システムレベルで約10%のエネルギーを節約し、よりシンプルで静かな冷却システムを実現するのに役立ちます。例えば、強制空冷の代わりに受動運動冷却を使用することにより。コンバータをより高いスイッチング周波数で動作させることで、モータの騒音を低減し、磁性素子のサイズをより小さく、軽量にすることができます。より高い電力密度は、コンバータの体積を約10%〜25%削減するのに役立ちます。システムの体積と重量を減らすことは非常に重要であり、特にハイブリッド列車の場合。ここで、追加のスペースと軽量化を使用して、車載牽引バッテリの容量を増加させることができます。さらに、システムの軽量化と効率性の向上により、利用可能なエネルギーをより活用し、必要な走行距離の実現に役立てることができます。あるいは、必要な走行距離に達していれば、より軽いシステム重量とより高い効率性が牽引バッテリの設置コストを最適化し、削減するのに役立ちますが、これは依然として非常に高価です。

高出力のほか、鉄道牽引や風力発電など多くの応用には、強力な電力サイクル性能とより長い設備寿命が必要である。炭化ケイ素はチップサイズが小さく、特定の材料特性（例えば、ヤング率がケイ素よりも高い）を有するため、そのような用途に炭化ケイ素を使用することはより困難である。サイクル条件下では、これらの要因は、隣接する相互接続層上の熱機械的応力をより大きくし、モジュールの電力サイクル能力を低下させる。

勇ましいXT技術は、相互接続層の堅牢性を高めることによって、この影響を補償することができる。採用XTのXHP 2 CoolSiC MOSFET 3.3 kVはSiCチップの銅表面金属化層上に強固な銅ボンディングワイヤを有し、基板上に焼結チップを有し、かつ高度に信頼性の高いシステム半田を有する。これにより、製品のサイクル能力と寿命が向上し、SiC電力サイクル性能を新しいレベルに向上させた。

説明のため.XTの強大な機能は、区域混合推進列車中の線路変換器の例示的な任務概況に基づいて、標準接続技術（Alボンディングワイヤ、チップのAl表面金属化、チップ半田、システム半田）を採用するSiCと採用する。XTのSiCは寿命シミュレーションを行った。

図7

シミュレーションの結果、.XTは製品の使用寿命を1桁延長した--標準接続技術を採用したSiCの約4年から採用まで。XTのSiCの約40年。これは、XTがより高い接合温度で炭化ケイ素を十分に利用するために重要であることを示している。標準的な接続技術を用いたSiCを実現するために必要な30年の使用寿命は、運転期間中の最高接合温度を著しく低下させなければならない。

これは、必要な出力電流を実現するためにより大きなチップ面積が必要であることを意味する。モジュールレベルで並列接続する必要があるため、複雑さとコストの増加にもつながります。

一流の循環能力を提供するほか、.XT for XHP 2 CoolSiC MOSFETの利点には、高サージ電流耐性と短絡耐性時間も含まれている。これは、システム設計者が障害を処理するためのより大きな自由度を提供します。

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