日本SiC模块新技术：MOS开关速度提升10倍

我们都知道碳化硅功率半导体有很多的优势，而且已经在汽车、光储充等众多的市场大放异彩，但是，碳化硅潜力还未充分被挖掘和利用，例如受限于现有的驱动器设计，SiC功率器件的开关操作速度极其慢，这导致它固有的节能优势尚未得到充分发挥。

最近，日本方面宣布他们已经解决了这个问题，并且展现出很好的效果。

3月12日，日本产业技术综合研究所（AIST）与明电舍联合宣布，他们开发了世界首个内置SiC CMOS驱动电路的SiC功率模块，并开出发相应的电驱系统。

他们将这款模块命名为“SiC CMOS功率模块”，主要有几个亮点：

▲ 导通波形和截止波形的开关速度分别为72V/ns和85V/ns，比当前SiC模块快大约10倍；

▲试验证明，这个开关速度的提升使得SiC模块的开关损耗可以减少大约十分之一。

▲这种驱动方法降低了噪音，有助于提高电机系统的可靠性。

这项研究成果详情将于2025年3月20日在日本电气工程师学会上公布。该团队表示，明电舍正在推进SiC CMOS功率模块电驱的实用化，并为量产的电动汽车供应变频电机。

研发背景：现有驱动器拖累SiC MOSFET

SiC MOSFET功率器件有望应用于许多需要提高能源效率的领域，通常这些电源器件是通过反复打开和关闭来转换电能的，在开关操作时会出现一定程度的能量损失，也就是所谓的开关损耗，尽管SiC MOSFET的开关损耗比硅基IGBT有很大幅度的提升，但是远没有达到理想的状态。

SiC MOSFET可以通过提高功率器件的开关速度（实现高速开关动作）可以减少开关损耗，因为SiC功率器件具有高速开关动作能力，因此节能性能较高。然而，目前的SiC功率器件的开关操作极慢，其固有性能尚未得到充分利用。

这其中的主要原因是：目前的驱动方式中，高速开关动作所产生的噪声，有可能会造成SiC功率器件发生故障。因此，AIST与明电舍认为，强烈需要开发一种能够降低高速开关操作过程中噪音的驱动方法，并将其应用于电驱系统等。

SiC CMOS模块成果：开关速度快10倍、开关损耗少10%

图1是使用SiC CMOS电源模块的电机驱动概念图以及驱动电机时逆变器的输出电流和输出电压。从三色输出电流波形可以看出，该模块输出了三个相移120°的正弦波，成功驱动电机。这意味着，这是截至目前世界上第一个使用SiC CMOS电源模块的电机驱动。

此前，这个SiC CMOS功率模块仅实现了极短时间（1毫秒内）的运行，而本次研究实现了连续逆变器运行，朝着SiC CMOS功率模块的实用化迈进，未来在电动汽车和工业设备电机等系统的应用成为可能。

图2是该研究中使用的SiC功率器件驱动方法的特性和结果。

如果采用当前的驱动器来实现SiC功率器件的高速开关操作，通常会因为存在噪声的影响而发生故障的风险。

而在这项研究中，AIST与明电舍开发了一种使用SiC CMOS功率模块的独特驱动方法，并证明了通过降低噪声，即使与容易发生故障的当前驱动器结合使用，SiC功率器件的高速开关操作也是可能的。

这不仅可以降低噪声，还有望提高电机系统的可靠性。而且只需用SiC CMOS模块替换当前的SiC模块即可实现高速开关操作。

图3是SiC CMOS模块驱动电机时的开关工作波形。截止状态到导通状态的开关波形(导通波形)和导通状态到截止状态的开关波形(截止波形)的切换速度分别为72V/ns和85V/ns，这比当前SiC功率模块的开关速度快大约10倍，并且试验已经证明，这个开关速度的提升使得模块的开关损耗可以减少大约十分之一。

SiC单片集成IC：耐压1200V、无需新制造工艺

现阶段，CMOS驱动电路和SiCMOSFET被分离到单独的芯片中，并且信号布线通过金属线或印刷电路板进行。由于SiC MOSFET承受高电压，因此与CMOS驱动电路之间需要有足够的绝缘距离，这对电力转换设备的小型化和轻量化造成阻碍。此外，信号线中的寄生电感（非预期电感元件）会对开关操作产生不利影响，导致损耗增加。

SiC单片集成功率IC这有助于电力转换设备的小型化、轻量化以及降低损耗，但同时要实现SiC CMOS的大输出电流和高电压隔离是一项艰巨的挑战，因此此前尚未成功开发相关的产品。

据“行家说三代半”了解，早在2021年5月AIST就成功开发SiC单片集成功率IC——SiC MOSFET和CMOS驱动电路集成在同一芯片上，耐压为1200V。

AIST开发出独特的新器件结构，成功同时实现了SiC CMOS的高压绝缘和输出电流的增大。此次开发的单片功率IC将纵向MOSFET与CMOS驱动电路集成在同一芯片上，最大限度缩短了信号配线长度，从而能够减小尺寸和重量以及寄生电感。

“行家说三代半”给大家介绍这款芯片制造中的两点细节：

1）提高p型MOSFET的输出电流：SiC CMOS的典型问题是p型MOSFET的输出电流明显低于n型MOSFET的输出电流，这成为利用SiC CMOS驱动电路实现开关动作的障碍。

AIST开发出了高晶体质量的IE-UMOSFET的p型层。利用由外延膜形成的特性，几乎不需要改变制造工艺，就形成了外延埋沟道。结果成功将p型MOSFET的输出电流提高了四倍。

2）耐压：通过形成与IE-UMOSFET相同耐压结构的SiC CMOS，AIST成功地将CMOS驱动电路与1500V的漏极电压隔离，而无需添加任何新的制造工艺。

基于该技术，AIST制作出了将CMOS驱动电路与SiC MOSFET集成在同一芯片上的SiC单片功率IC，并在世界首次演示了开关动作。此次新开发的技术为SiC传感器和SiC逻辑电路等功能的集成奠定了基础，有望扩大在电力转换设备中的应用。

日本明电舍（Meidensha）成立于1897年，是日本五大重型电器制造商之一，隶属于住友集团，在日本国内外设有42家分公司，中国地区有6家子公司，包括杭州驱动技术公司（新能源汽车核心部件）等。2009年明电舍完成全球首台量产EV马达，主要为日产（Nissan）和三菱（Mitsubishi）供应EV驱动系统，并参与下一代车型开发。

AIST成立于2001年，由日本原通产省下属的15家国立研究所合并而成，旨在解决研究分散、效率低下等问题。2015年AIST转型为“国立研发法人”，隶属日本经济产业省，是日本最大的公共研究机构之一。

电动交通&数字能源SiC技术应用及供应链升级大会

碳化硅是新能源和工业电气化的技术发展方向，2025年5月15日，“行家说”将在上海举办“电动交通&数字能源SiC技术应用及供应链升级大会”，本届大会将邀请SiC头部厂商、下游终端应用厂家等产业链核心玩家，共同探讨碳化硅在新能源汽车中的技术应用等关键话题。