芯片合封已經成為了 GaN快充電源 的趨勢性技術， 然而到目前為止， 單芯片SiC電源IC還無法實現。

不過，昨天，日本國立產業技術綜合研究所（AIST）對外公布，他們成功將SiC垂直MOSFET和SiC CMOS進行了單芯片集成，“這是全球首次突破”，電流提升了4倍，可以做到1500V高壓絕緣。

其概念請看下圖：

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為什么SiC很難做到單芯片集成？

集成CMOS驅動電路，可以讓SiC功率器件的電路結構變得更為簡單，可以縮小功率轉換器的尺寸，而且功耗更低。但目前要設計這種集成電源IC遇到了有兩個技術難題—— 輸出電流和與高壓絕緣 。

因為 將SiC CMOS驅動電路設計成耐高壓時，那么它的輸出電流就比較小，因此就難以驅動SiC垂直MOSFET。

在傳統的做法中，CMOS驅動電路和垂直MOSFET會被分成單獨的芯片，并且它們的信號布線是通過金屬線、印刷電路板等進行。

但由于垂直MOSFET要施加高電壓，因此它需要與CMOS驅動電路有足夠的絕緣距離，這就導致SiC功率轉換器件難以縮小尺寸和降低重量。此外，其信號布線中所存在的寄生電感，也會對開關操作產生不利影響，并導致損耗增加。

AIST認為問題主要出現p型MOSFET上。“一般來說，SiC CMOS的問題是p型MOSFET輸出電流明顯不如n型MOSFET輸出電流，這是通過 SiC CMOS 驅動電路實現開關操作的障礙”。

電流增加4倍，1500V絕緣

如何做到的？

5月30日，AIST在公告中表示，他們已經成功開發了SiC單片功率IC，并將1.2 kV級垂直MOSFET和CMOS驅動電路集成在同一芯片上。“這是全球首次，其開關操作已得到確認”。他們不僅可以讓SiC CMOS實現了高壓絕緣，還成功同時增加了輸出電流。

AIST是如何做到？

據介紹，其關鍵在于他們開發出了獨特的SiC功率MOSFET結構，目前已經完成了第一代IE-MOSFET和第二代IE-U MOSFET。

如圖 2(a) 所示，AIST的SiC 單片功率IC由兩個區域組成：一個垂直的MOSFET區域和一個CMOS驅動電路區域。AIST開發的IE-U MOSFET被用作垂直MOSFET，在IE-U MOSFET通用的p型層上形成CMOS驅動電路，這樣就成功增加了p型MOSFET的輸出電流和耐壓。

簡單來說，AIST利用IE-U MOSFET的p型層由高晶體質量的外延膜形成的特點，在幾乎不改變制造工藝的情況下形成了外延嵌入溝道。結果，成功地將 p 型 MOSFET 的輸出電流增加了4倍。

同時，通過以與IE-U MOSFET相同的耐壓結構形成SiC CMOS，AIST成功地使CMOS驅動電路與1500 V的漏極電壓進行了絕緣，而無需增加新的制造工藝。

 

圖2：（a）是新開發的SiC單片功率IC的示意性截面圖，（b）外延嵌入式溝道的影響，（c）耐電壓特性。

為了驗證這種單芯片電源IC的性能，AIST還進行了開關操作演示。

圖3顯示了這種SiC單片電源IC的開關操作波形。通過在漏極電壓為600 V和漏極電流為10 A的情況下執行開關操作，從開啟狀態切換到關閉狀態，獲得了從關斷狀態到導通狀態的兩種開關操作波形。

 

圖3：SiC單片電源IC的開關工作波形：(a)關斷波形，(b) 開啟波形

AIST表示，未來將進一步提高SiC CMOS 驅動電路的輸出電流，以實現SiC單片功率IC的高速開關。此外，還將集成傳感器、邏輯電路等，以擴大SiC電力轉換設備的應用范圍。

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