羅姆功率半導(dǎo)體產(chǎn)品概要

1.前言

近年來，全球耗電量逐年增加，在工業(yè)和交通運輸領(lǐng)域的增長尤為顯著。另外，以化石燃料為基礎(chǔ)的火力發(fā)電和經(jīng)濟活動所產(chǎn)生的CO2(二氧化碳)排放量增加已成為嚴(yán)重的社會問題。因此，為了實現(xiàn)零碳社會，努力提高能源利用效率并實現(xiàn)碳中和已成為全球共同的目標(biāo)。

在這種背景下，羅姆致力于通過電子技術(shù)解決社會問題，專注于開發(fā)在大功率應(yīng)用中可提升效率的關(guān)鍵——功率半導(dǎo)體，并提供相關(guān)的電源解決方案。本白皮書將通過“Power Eco Family”的品牌理念，介紹為構(gòu)建應(yīng)用生態(tài)系統(tǒng)做出貢獻的羅姆功率半導(dǎo)體以及相關(guān)的舉措。

2. 市場需求和羅姆的舉措

近年來，隨著電動汽車、能量收集等眾多領(lǐng)域用電量的快速增長，對于各類應(yīng)用中配備的電源系統(tǒng)，要求實現(xiàn)高效率化、小型化、輕量化等性能提升。因此，要求功率半導(dǎo)體也要具有更高的性能和更強的嚴(yán)苛環(huán)境適用性。具體而言，就是要具備高速開關(guān)性能、低損耗和出色的散熱性能等特性。同時，功率半導(dǎo)體的應(yīng)用范圍也在不斷擴大，需求量也與日俱增。

多年來，羅姆在功率半導(dǎo)體領(lǐng)域積累了豐富的專業(yè)經(jīng)驗和技術(shù)實力，其中包括于全球首家*實現(xiàn)了SiC(碳化硅) MOSFET的量產(chǎn)。另外，預(yù)計相關(guān)產(chǎn)品的市場需求會進一步擴大，羅姆也在不斷開拓新的產(chǎn)品領(lǐng)域，比如將作為下一代半導(dǎo)體與SiC同樣備受關(guān)注的GaN(氮化鎵)產(chǎn)品投入量產(chǎn)。下圖1中列出了羅姆功率半導(dǎo)體對應(yīng)的功率容量(縱軸)和工作頻率(橫軸)范圍。長期以來一直被用作半導(dǎo)體材料的Si(硅)，其相應(yīng)的功率半導(dǎo)體包括“EcoMOS?”和“EcoIGBT?”。另外，新一代半導(dǎo)體SiC元器件“EcoSiC?”覆蓋需要超高耐壓和高速開關(guān)的領(lǐng)域;而GaN器件“EcoGaN?”則覆蓋需要超高速開關(guān)的領(lǐng)域。羅姆將這四大產(chǎn)品群統(tǒng)稱為“Power Eco Family”，并通過助力提高應(yīng)用產(chǎn)品的性能來為構(gòu)建應(yīng)用生態(tài)系統(tǒng)做出貢獻。下面將按品牌分別進行介紹。

*截至2025年1月 羅姆調(diào)查數(shù)據(jù)

圖1：Power Eco Family產(chǎn)品群在不同功率容量×工作頻率范圍的分布圖

3. 組成“Power Eco Family”的四大品牌

3-1. 關(guān)于EcoSiC?

EcoSiC?是采用了因性能優(yōu)于Si而在功率元器件領(lǐng)域備受關(guān)注的SiC的元器件品牌。

羅姆自2010年在全球率先實現(xiàn)SiC MOSFET的量產(chǎn)以來，已經(jīng)自主開發(fā)了從SiC晶圓制造到元器件結(jié)構(gòu)、制造工藝、封裝和品質(zhì)管理方法等SiC元器件所需的各種技術(shù)。另外，羅姆還提供各種形式的SiC元器件，其中包括SiC裸芯片、SiC SBD和SiC MOSFET等分立器件以及SiC模塊。不僅如此，為滿足SiC市場不斷擴大的需求，羅姆于2023年開始生產(chǎn)8英寸襯底，并計劃從2025年開始量產(chǎn)并銷售相應(yīng)的元器件。在日本宮崎縣國富町新建的宮崎第二工廠中，一部分生產(chǎn)線已正式進入試作稼動階段。該工廠通過收購另一家公司以前的工廠建筑以及無塵室，實現(xiàn)了快速有效的投資，還獲得了日本經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)省的支持。羅姆正在通過這些努力，不斷增強滿足快速增長的SiC市場需求的能力。

在車載設(shè)備領(lǐng)域，xEV牽引逆變器對SiC的需求增長最快，SiC產(chǎn)品在其中的應(yīng)用加速。例如，2024年8月，吉利的高端電動汽車品牌“ZEEKR”的牽引逆變器采用了羅姆的裸芯片。另外，羅姆還專注于模塊開發(fā)，推出了非常適合驅(qū)動牽引逆變器的封裝型SiC模塊TRCDRIVE pack?。TRCDRIVE pack?實現(xiàn)了業(yè)界超高的功率密度，有助于逆變器的小型輕量化，法雷奧的下一代逆變器已經(jīng)計劃采用(圖2)。綜上所述，羅姆的EcoGaN?因具備業(yè)界先進的元器件技術(shù)、靈活的商業(yè)模式和穩(wěn)定的供應(yīng)體系等優(yōu)勢，而獲得了客戶高度好評，并已斬獲全球130多家公司的Design Win(贏得設(shè)計)。

圖2：實現(xiàn)了業(yè)界超高功率密度的TRCDRIVE pack?

在工業(yè)設(shè)備領(lǐng)域，羅姆還面向PV逆變器(太陽能發(fā)電逆變器)、EV充電樁、DC-DC轉(zhuǎn)換器等應(yīng)用積極擴展產(chǎn)品陣容。目前正在開發(fā)1,500V系統(tǒng)用的2kV耐壓SiC MOSFET，并計劃繼續(xù)增強對高電壓工業(yè)設(shè)備應(yīng)用的支持力度。關(guān)于SiC SBD，羅姆已經(jīng)擁有650V～1,700V分立或裸芯片的產(chǎn)品陣容，相關(guān)產(chǎn)品不僅在光伏逆變器應(yīng)用中被廣泛采用，在電動汽車充電樁的PFC單元等應(yīng)用中也已被越來越多地采用。此外，在工業(yè)設(shè)備領(lǐng)域，羅姆還正在加速建立向模塊制造商提供SiC裸芯片的商業(yè)模式，例如，加強與賽米控丹佛斯在車載設(shè)備和工業(yè)設(shè)備領(lǐng)域的合作，并已經(jīng)開始為其提供SiC和IGBT裸芯片。

在產(chǎn)品開發(fā)方面，羅姆正在進行下一代即第5代SiC MOSFET開發(fā)，計劃于2025年發(fā)布。與當(dāng)前第4代產(chǎn)品相比，第5代在高溫條件下工作時的導(dǎo)通電阻預(yù)計會降低約30%，有助于進一步提高效率。另外，羅姆還通過縮短下一代產(chǎn)品的開發(fā)周期，來快速響應(yīng)市場變化并滿足市場需求。

?適用應(yīng)用示例

工業(yè)設(shè)備：光伏逆變器、UPS(不間斷電源)、EV充電樁、DC-DC轉(zhuǎn)換器

車載設(shè)備：牽引逆變器、輔助逆變器、OBC(車載充電器)、DC-DC轉(zhuǎn)換器

3-2. 關(guān)于EcoGaN?

EcoGaN?是通過更大程度地發(fā)揮GaN的性能，助力應(yīng)用產(chǎn)品進一步節(jié)能和小型化的羅姆 GaN器件，該系列產(chǎn)品有助于應(yīng)用產(chǎn)品進一步降低功耗、實現(xiàn)外圍元器件的小型化、減少設(shè)計工時和元器件數(shù)量等。該品牌不僅包括GaN HEMT單品，還包括內(nèi)置控制器的、搭載了GaN的 IC等產(chǎn)品。另外，EcoGaN?旨在成為“易用的GaN器件”，并促進GaN在各種應(yīng)用中的使用。這有助于應(yīng)用產(chǎn)品實現(xiàn)高效率工作，進而為實現(xiàn)無碳社會做出貢獻。

2022年羅姆的第一個EcoGaN?產(chǎn)品系列150V耐壓GaN HEMT實現(xiàn)量產(chǎn)，2023年實現(xiàn)業(yè)界超高器件性能(RDS(ON)×Ciss / RDS(ON)×Coss)的650V耐壓GaN HEMT投入量產(chǎn)。該產(chǎn)品已經(jīng)被臺達電子旗下品牌Innergie的“C4 Duo”、“C10 Duo”等AC適配器采用，為AC適配器的小型化和高效率工作做出了貢獻。

與Si器件相比，GaN器件可以提高應(yīng)用產(chǎn)品的效率并實現(xiàn)電感器和散熱器件等的小型化，但其柵極驅(qū)動很難，而且處理難度之高已成為阻礙其普及的一個障礙。羅姆不僅提高了GaN HEMT單品的性能，還致力于將其與融入羅姆擅長的模擬技術(shù)優(yōu)勢的LSI相結(jié)合，實現(xiàn)“易用的GaN”。將650V耐壓GaN HEMT和柵極驅(qū)動器等元器件一體化封裝的Power Stage IC(SiP：System in Package)“BM3G0xxMUV-LB”就是第一款根據(jù)該理念開發(fā)并實現(xiàn)量產(chǎn)的產(chǎn)品(圖3)。該產(chǎn)品可輕松替換現(xiàn)有的Si MOSFET，而且可使器件體積減少約99%，功率損耗減少約55%。未來，羅姆還計劃開發(fā)采用超高速脈沖控制技術(shù)“Nano Pulse Control?”的GaN驅(qū)動用控制器IC等產(chǎn)品，通過普及“易用的GaN器件”，為進一步提高電源效率貢獻力量。此外，羅姆還計劃將配備功率因數(shù)校正電路(PFC)的Power Stage IC和配備半橋電路的產(chǎn)品投入量產(chǎn)，預(yù)計到2026年，羅姆將可以提供集GaN HEMT、柵極驅(qū)動器IC和控制器IC于一體的綜合解決方案。另外，在EcoGaN?特設(shè)頁面(英文)中，會發(fā)布包括正在開發(fā)中的產(chǎn)品在內(nèi)的最新EcoGaN?解決方案信息。

預(yù)計GaN器件市場將在本世紀(jì)20年代后半期快速增長，并有望被廣泛用于車載領(lǐng)域的OBC等應(yīng)用。在車載GaN器件的開發(fā)和量產(chǎn)方面，羅姆計劃通過各種舉措，比如與臺積(Taiwan Semiconductor Manufacturing Company Limited，TSMC)建立合作伙伴關(guān)系、靈活利用代工廠和OSAT，來加快推出車載GaN器件的速度。

圖3：Power Stage IC的優(yōu)勢

?適用應(yīng)用示例

工業(yè)設(shè)備：服務(wù)器電源、基站電源

消費電子：AC適配器(USB充電器)、無線路由器

車載設(shè)備*：OBC(車載充電器)、DC-DC轉(zhuǎn)換器

*車載設(shè)備用的產(chǎn)品目前正在開發(fā)中，計劃于2026年發(fā)布。

3-3. 關(guān)于EcoIGBT?

EcoIGBT?是羅姆開發(fā)的非常適用于功率元器件領(lǐng)域?qū)δ蛪耗芰σ蟾叩膽?yīng)用的IGBT，是包括器件和模塊在內(nèi)的品牌名稱。目前，IGBT的性價比優(yōu)于SiC MOSFET，因此在注重成本的大功率應(yīng)用和不要求小型化的應(yīng)用中，其需求量依然很高，羅姆預(yù)計未來IGBT市場將會繼續(xù)擴大，因此正在推進相關(guān)的技術(shù)開發(fā)。

羅姆于2010年開始IGBT的研發(fā)，并于2012年開始量產(chǎn)。目前，已經(jīng)在包括日本滋賀工廠在內(nèi)的多個生產(chǎn)基地實施生產(chǎn)。2024年，羅姆推出了最新一代(第4代)IGBT產(chǎn)品——1,200V耐壓的“RGA系列”(圖4)。該產(chǎn)品實現(xiàn)了業(yè)界超高特性，與以往產(chǎn)品相比，功率損耗減少了35%，短路耐受時間提高到10μs，因此已被車載電動壓縮機和工業(yè)逆變器等應(yīng)用采用或考慮采用。另外該產(chǎn)品已經(jīng)被用于賽米控丹佛斯的電源模塊。

對于IGBT而言，優(yōu)化特定應(yīng)用所需的特性非常重要。例如，汽車空調(diào)的電動壓縮機用的產(chǎn)品注重短路耐受能力，光伏逆變器等用的產(chǎn)品則需要減少開關(guān)損耗。羅姆為了很好地平衡這些產(chǎn)品特性，正在根據(jù)應(yīng)用需求對器件結(jié)構(gòu)和雜質(zhì)濃度等進行精細調(diào)整，以設(shè)計出滿足客戶需求的產(chǎn)品。未來，羅姆計劃推出650V耐壓的“RGE系列”和“RGH系列”等新產(chǎn)品，以滿足眾多應(yīng)用(比如車載OBC、光伏逆變器等工業(yè)設(shè)備和空調(diào)等消費電子產(chǎn)品)的需求。另外，羅姆還致力于開拓將IGBT和柵極驅(qū)動器IC相結(jié)合的IPM(智能功率模塊)市場，通過功率損耗和噪聲更低的產(chǎn)品，增強在IPM市場的競爭力。

羅姆也已經(jīng)著手開發(fā)第5代IGBT，目標(biāo)是在2026年到2027年發(fā)布相關(guān)新產(chǎn)品。第5代產(chǎn)品不是現(xiàn)有技術(shù)的延伸，而是旨在通過采用新的器件結(jié)構(gòu)來進一步提高性能。關(guān)于IGBT市場，雖然有SiC元器件普及所帶來的影響，但羅姆認(rèn)為工業(yè)設(shè)備和車載設(shè)備為主的市場將會持續(xù)增長，因此計劃在未來繼續(xù)擴大EcoIGBT?的產(chǎn)品陣容。

圖4：三相逆變器采用第4代IGBT“RGA系列”和以往普通產(chǎn)品時的比較

?適用應(yīng)用示例

工業(yè)設(shè)備：工業(yè)逆變器、工業(yè)機器人

消費電子：空調(diào)、冰箱、洗衣機

車載設(shè)備：車載電動壓縮機、輔助逆變器、車載HV加熱器、OBC(車載充電器)

3-4. 關(guān)于EcoMOS?

EcoMOS?是羅姆開發(fā)的非常適用于功率元器件領(lǐng)域?qū)δ蛪耗芰σ蟾叩膽?yīng)用的耐壓600V以上的Si MOSFET，是包括器件和模塊在內(nèi)的品牌名稱。EcoMOS?采用的是在保持耐壓能力的同時可降低導(dǎo)通電阻(RDS(ON))并減少柵極電荷(Qg)的超級結(jié)(Super Junction)技術(shù)。

EcoMOS?適用于冰箱、電動汽車充電樁和服務(wù)器電源等眾多應(yīng)用。由于這些產(chǎn)品有很多參數(shù)(比如重視噪聲性能或開關(guān)性能等不同性能的參數(shù))，羅姆提供的產(chǎn)品陣容中產(chǎn)品豐富，客戶可以根據(jù)應(yīng)用需求靈活選擇。例如，與普通產(chǎn)品相比，開關(guān)損耗減少約30%且實現(xiàn)了低噪聲特性的“R60xxRNx”系列，非常適用于冰箱和換氣扇等注重噪聲性能的小型電機驅(qū)動應(yīng)用。另外，存在權(quán)衡關(guān)系的反向恢復(fù)時間(trr)和導(dǎo)通電阻(RDS(ON))同時得到改善、開關(guān)損耗比普通產(chǎn)品低約17%的“R60xxVNx”系列，非常適用于處理大功率的電動汽車充電樁和服務(wù)器等的電源電路，以及日益普及的變頻空調(diào)等的電機驅(qū)動應(yīng)用(圖5)。

圖5：R60xxVNx系列與普通產(chǎn)品的開關(guān)損耗比較

?適用應(yīng)用示例

工業(yè)設(shè)備：電動汽車充電樁、光伏逆變器、服務(wù)器

消費電子：空調(diào)、冰箱、換氣扇

4. 結(jié)語

本文介紹了組成“Power Eco Family”的四大品牌。羅姆對每一個品牌都非常注重產(chǎn)品開發(fā)速度、應(yīng)用產(chǎn)品設(shè)計過程中的支持體系強化以及穩(wěn)定供應(yīng)等，并會考慮合作生產(chǎn)和聯(lián)合開發(fā)等方式。通過助力應(yīng)用產(chǎn)品的節(jié)能和小型化，為減少全球的耗電量和產(chǎn)品用材量貢獻力量;并通過與所有利益相關(guān)者共同擴大“Power Eco Family”，為創(chuàng)建應(yīng)用生態(tài)系統(tǒng)做出貢獻(圖6)。

圖6：通過擴大“Power Eco Family”，構(gòu)建應(yīng)用生態(tài)系統(tǒng)

?文中的所有內(nèi)容均為截至2025年1月的信息。