博世第三代SIC mosfet凭借其先进的沟槽设计脱颖而出，显著优化了电动汽车动力总成的效率。全新的沟槽单元架构有效应对了牵引逆变器运行中的各种挑战。通过在导通损耗、开关损耗、可靠性和鲁棒性之间实现更优的权衡，该功率晶体管针对高效率与长使用寿命进行了优化。

推进双沟道SiC沟槽栅MOSFET技术

碳化硅(SiC)沟槽MOSFET无疑是汽车动力总成逆变器的领先技术，这类应用对高性能和鲁棒性有着严苛要求。随着电动汽车对更高效率、功率密度和可靠性的需求持续增长，博世正持续推进沟槽架构的演进，以满足这些需求。

第二代双沟道设计(见图1)仍是这一创新的基础。其深P型屏蔽区确保了沟槽架构的最优利用——利用沟槽两侧进行通态电流传导。这提升了沟道密度，降低了电阻，并最大化了对电流流动有效的有源区面积，这对于最大限度地减少能量损耗至关重要。

深P型屏蔽注入保护了沟槽内的栅极结构，并为两个沟道提供了共用的JFET区，从而在短路事件中限制饱和电流。这种固有的短路保护是一项关键的安全特性，可防止故障条件下发生热失控和灾难性失效。

博世在第三代器件中进一步推进了这一概念。通过在沟槽自身内部增加额外的屏蔽注入(见图1)，器件在关断状态下得到了针对电场效应的全面保护。在关断状态下，栅氧化层所承受的电场极低。因此，关断态运行不会影响栅氧化层的使用寿命。这提升了历来较为敏感的栅氧化层的长期可靠性。

图1

第三代SiC MOSFET：卓越性能、鲁棒性与散热能力

全新的单元设计同时改善了静态和动态性能、鲁棒性以及散热能力(见图2)。比导通电阻(RonA)降低20%，显著减小了所需的芯片面积，使得采用第三代器件的转换器设计更具成本效益(图2，左)。这直接转化为更小、更轻的电动汽车(EV)功率模块。

将部分栅-漏电容(CGD)转移至栅-源电容(CGS)，降低了栅-漏电荷(QGD)，实现了更快的电压换流。在典型牵引逆变器运行中，开关损耗降低了约10%，提升了部分负载效率，并显著改善了整体系统效率。

这些性能提升的实现并未牺牲鲁棒性。事实上，第三代器件增强了对短路和寄生开通的鲁棒性。这一改进部分得益于沟槽下方新实现的双区JFET区域，它能在短路事件中实现更高效的电流分布。此外，QGD的降低也减小了米勒比。

较低的米勒比有效抑制了无源开关栅极处的栅极电压振荡，从而降低了寄生开通的风险。这使得在不影响可靠性的前提下实现更高的开关频率成为可能。因此，可以安全地提高开关速度。第三代器件的短路耐受时间(SCWT)比第二代沟槽MOSFET高出约10%(见图2，右)。

图2

最后，将芯片厚度控制在100 µm(图2，中)对热特性产生了积极影响，带来了优异的散热能力，并支持更高的功率密度。

全新单元架构：在严苛条件下保持高效

全新的单元架构是同时提升鲁棒性和性能的关键。更窄的JFET区以及沟道与JFET区之间的一一对应关系，极大改善了大比导通电阻(RonA)与短路耐受时间之间的权衡关系。这种平衡至关重要，因为改善其中一项往往会恶化另一项。

尽管更窄的JFET自然需要更精细的工艺，特别是各个P型区的光刻对准方面，但第三代器件巧妙地规避了这一问题。通过在已形成的栅极沟槽中采用自对准注入技术，使沟槽与其下方的保护注入层完美对准，将对准公差维持在第二代器件的同一水平。

换言之，无需新增光刻层来制作额外的保护注入层，而是重复利用了沟槽刻蚀工艺中已有的硬掩模，这使得大规模生产既可行又具成本效益。

更大的设计窗口反映在图3(左)中，该图展示了比导通电阻(RonA)与短路事件中饱和电流(Isat)之间的权衡关系。整个权衡曲线发生了平行移动，为设计高鲁棒性和高性能的器件提供了更宽广的设计空间。

图3

器件在1类短路事件(SC1，图3，右)中的行为反映了短路条件下较低的电流密度，为栅极驱动器检测故障并关断晶体管提供了额外的时间。因此，峰值温度和耗散能量均显著降低，提供了高度的本征短路鲁棒性。

特别对于牵引逆变器运行而言，软恢复二极管对于降低电流换流斜率至关重要，以减轻反向恢复(Vrr)期间的电压尖峰和高电压换流斜率。“硬”恢复可能导致破坏性的电压尖峰并增加电磁干扰(EMI)。第三代器件的体二极管经过专门设计，可在-40°C至200°C的整个温度范围内提供软恢复特性，并对寄生开通具有极高的鲁棒性，尤其是在高温条件下，如图4(左)所示。

体二极管表现出非常柔和的恢复特性，电流衰减(dI/dt)受控，表明反向恢复期间电流过渡平缓且高度可控。VDS波形中仅观察到极小的电压振铃，表明开关行为干净且快速。图4(右)还通过展示最大反向恢复电压(VDS,max)与结温(Tj)的关系，说明了其高温稳定性。

图4

即使在200°C下，VDS,max仍远低于1100 V——比器件的击穿电压低400 V以上。这提供了充足的安全裕量，确保在最严苛的开关条件下实现极其可靠和安全的工作。

结论

博世第三代SiC MOSFET代表了电动汽车动力总成功率半导体技术的重大飞跃。凭借其双沟道沟槽架构，并通过新颖的自对准屏蔽注入和优化的JFET区加以增强，这些器件提供了无与伦比的效率、鲁棒性和可靠性。

已证实的改进包括：比导通电阻降低20%、开关损耗降低10%、短路耐受能力显著增强、寄生开通鲁棒性提升，以及可在宽温度范围内工作的软恢复体二极管。这些改进共同满足了现代汽车应用的严苛要求。

通过优化RonA-SCWT权衡关系，并确保在挑战性条件下稳定安全运行，博世第三代SiC MOSFET最大限度地提升了电动汽车逆变器的性能和寿命，并推动了高性能电动汽车的广泛普及。这一持续创新凸显了先进SiC技术在塑造可持续移动出行未来中的关键作用。