概要

前回の記事ではSiCを使うことのより詳細なメリットを説明しましたが、今回の記事ではWBG半導体の信頼性について説明します。

前回の記事は以下のリンクより参照ください。

信頼性が実証されたSiC FET

現在、信頼性に関する懸念が残っていますが、WBGデバイスの中には非常に有効なものもあります。たとえば、SiC MOSFETやGaNデバイスは、絶対最大値が推奨動作条件に非常に近いゲート電圧に対して非常に敏感です。一方、SiC FETは、絶対最大値までのマージンが広い広い範囲のゲート電圧に対して耐性があり、過電圧やESDに対する保護の別のレベルを提供するゲートクランプダイオードを備えた部品が入手可能です。おそらくEVモータードライブでは短絡定格は、IGBTが堅牢性のベンチマークとなっているため、主要な懸念事項です。

確かにGaNデバイスはこの点では劣りますが、再びSiC FETのスコアが出ています。SiC JFETは短絡処理に優れていることが知られており、カスコードSiC FETのSiC JFETがピーク電流を制御するため、SiC MOSFETやIGBTとは異なり、ゲート駆動電圧に依存しない短絡特性が得られます。

また、SiC JFETはピーク温度が高いため、短絡時間を長くすることができます。自動車用途では、保護機構が作動するまでに5μsの短絡に耐えることが期待されています。UnitedSiCの650 V SiC FETを使用したテストでは、100回の短絡イベントの後、温度が上昇した状態でオン抵抗またはゲートしきい値の劣化がなく、400 V DCバスで少なくとも8μs耐えられることが示されています(図3)。1200 Vのデバイスを850 VDSで使用した他のテスト(図4)では、短絡時のピーク電流が初期接合温度とともに減少し、総消費エネルギーが減少することが示され、SiC FETのオン抵抗の正の温度係数の良性の効果が実証されました。この効果により、ダイ内の複数のセル間で短絡電流の流れが均一になることも確認されています。

 SiC FETの短絡特性
図3: SiC FETの短絡特性
SiC JFETは初期接合温度に依存しない(UnitedSiC UJC1206K)
図4;SiC JFETは初期接合温度に依存しない(UnitedSiC UJC1206K)

SiC JFETは、短絡電流、オン抵抗、およびターンオン速度という相互に依存するパラメーターの間で、自動車アプリケーションにおいて良好なトレードオフが得られるように設計することができます。発生する可能性のある他のストレスは、最大ドレイン・ソース定格を超える電圧スパイクです。ここでもGaNには免疫がありませんが、SiC FETは非常に優れたアバランシェ定格を持っています。内部の JFET ゲート・ドレイン接合がブレークオーバーし、図1(EV用途のSIC FET 2)の RG に電流が流れ、SiC JFET のゲート・ソース電圧が約 -6 V のしきい値電圧を超えるところまで上昇します。

これによりチャネルがオンになり、過電圧がクランプされます。低電圧のSi-MOSFETもアバランシェしますが、UnitedSiCのカソードでは、すべてのセルにアバランシェ・クランプ・ダイオードが組み込まれており、耐圧が低いため、Si-MOSFETで散逸したエネルギーが温度上昇をほとんど引き起こしません。UnitedSiCによる試験では、バックストップとしてのアバランシェ能力の100%の製造試験で、150°Cで1000時間アバランシェを行ってもSiC FET部品の故障がないことが示されています。車載アプリケーション向けに設計されたデバイスはすべて、半導体の場合はAECQ-101の関連承認を取得する必要があります。承認のために実施されたテストは、TO-220-3L、TO-247-3L、およびそれらの「ケルビン接続」TO-247-4LパッケージのUnitedSiC製SiC FETの結果とともに、表2に記載されています。

簡単に言えば、記載されているサンプル サイズでは、デバイスの故障や性能の著しい変化は発生していませんでした。JEDEC 標準の JESD 85 によれば、これは、温度 55°C、60% の信頼度を想定した場合の FIT 率(10 億時間あたりの故障)が 1.117 を超え、MTTF が 102,132 年を超えていることに相当します。これは、SiCのバンドギャップが広いため、Siよりも本質的に優れており、ロバスト性の面でも有利になります。

信頼性ストレス試験の概要 - ユナイテッドSiCのSiC FET。
表1;信頼性ストレス試験の概要 - ユナイテッドSiCのSiC FET。

説得力のあるケース

UnitedSiCのSiC FETのような最新のAEC-Q認定ワイドバンドギャップデバイスは、次世代のEVモータードライブの真の競争相手であり、より優れた性能、全体的なコスト削減、およびこのような厳しい環境での実証済みの堅牢な動作の要求に応えています。その結果、SiCは今後10年間でドライブトレインを支配すると予想されています。

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