用于功率轉(zhuǎn)換的半導(dǎo)體功率元器件，由于對所有設(shè)備的節(jié)能化貢獻巨大，其未來的技術(shù)發(fā)展動向受到業(yè)界廣泛關(guān)注。
ROHM針對這種節(jié)能化要求日益高漲的歷史潮流，致力將在使分立半導(dǎo)體、IC的開發(fā)與制造過程中積累起來的技術(shù)得到進一步發(fā)展的功率元器件產(chǎn)品的陣容壯大。其中，在實現(xiàn)了具有硅半導(dǎo)體無法得到的突破性特性的碳化硅半導(dǎo)體(SiC半導(dǎo)體)產(chǎn)品領(lǐng)域，正在實施產(chǎn)品擴充戰(zhàn)略，并遙遙領(lǐng)先于業(yè)界。另外，充分發(fā)揮綜合半導(dǎo)體產(chǎn)品制造商的優(yōu)勢，在傳統(tǒng)的硅半導(dǎo)體產(chǎn)品領(lǐng)域，也在不斷擴大與控制IC相結(jié)合的復(fù)合型產(chǎn)品群。下面介紹ROHM最新的功率元器件。
碳化硅(SiC)半導(dǎo)體產(chǎn)品
SiC功率元器件是以碳和硅組成的化合物半導(dǎo)體碳化硅(Silicon Carbide)為材料制作的功率半導(dǎo)體，因其所具備的優(yōu)異性能與先進性，多年來一直作為"理想的元器件"而備受矚目。如今已在工業(yè)、車載、鐵路、家庭等眾多應(yīng)用中被廣為采用與研究，為設(shè)備的節(jié)能化做著貢獻。
①ROHM的碳化硅(SiC)半導(dǎo)體產(chǎn)品
從SiC功率元器件的研究開發(fā)到量產(chǎn)，ROHM一直遙遙領(lǐng)先于業(yè)界。下面簡單介紹一下SiC功率元器件的產(chǎn)品陣容及其特點。
lSiC肖特基二極管：具有低開關(guān)損耗、低正向電壓特性的產(chǎn)品(圖1)。在高效電源等設(shè)備中應(yīng)用廣泛。ROHM擁有滿足AEC-Q101標(biāo)準(zhǔn)的分立產(chǎn)品陣容，已在日本國內(nèi)及海外眾多電動汽車、插入式混合動力車的車載充電電路中得到廣泛應(yīng)用。
圖1.SiC肖特基二極管與硅材質(zhì)FRD特性比較(650V/10A級)
lSiC-MOSFET：耐壓超過1000V的MOSFET元器件，采用硅半導(dǎo)體很難創(chuàng)造出導(dǎo)通損耗足夠低的器件，但通過碳化硅(SiC)半導(dǎo)體則可以實現(xiàn)。另外，與作為耐高壓的開關(guān)元件被廣泛應(yīng)用的硅材質(zhì)IGBT相比，SiC-MOSFET的開關(guān)損耗僅為1/5左右，因此，在驅(qū)動頻率越來越高的設(shè)備小型化(過濾器、冷卻機構(gòu))和功率轉(zhuǎn)換效率的提升等方面有望獲得顯著效果。(圖2)。
圖2. 普通Si-IGBT和ROHM的SiC-MOSFET的開關(guān)損耗比較
lSiC功率模塊：ROHM實現(xiàn)了功率元件全部由SiC功率元件構(gòu)成的“全SiC”功率模塊的量產(chǎn)(圖3)。
圖3. SiC功率模塊的外觀
②實現(xiàn)了更大電流的1200V/300A“全SiC”功率模塊
ROHM已于2012年實現(xiàn)了1200V/120A、180A產(chǎn)品的量產(chǎn)。并于2015年6月開始將1200V/300A新產(chǎn)品投入量產(chǎn)。
為充分發(fā)揮SiC功率元器件的高速開關(guān)性能，使模塊內(nèi)部的電感更低是在實現(xiàn)更大電流規(guī)格方面非常重要的技術(shù)。ROHM通過優(yōu)化內(nèi)置SiC元件的配置及內(nèi)部格局，開發(fā)出內(nèi)部電感比已經(jīng)量產(chǎn)中產(chǎn)品(120A、180A)降低約一半的模塊，成功開發(fā)出額定電流300A的產(chǎn)品。
與同等額定電流的IGBT模塊相比，開關(guān)損耗可降低77%。使用本產(chǎn)品可大幅降低開關(guān)損耗，從而實現(xiàn)設(shè)備中的冷卻機構(gòu)的小型化。不僅如此，還適用高頻驅(qū)動，例如在30kHz的開關(guān)頻率下使用功率模塊時，與IGBT模塊相比，導(dǎo)通損耗和開關(guān)損耗合計共可降低約60%(圖4)。
通過更高頻率的開關(guān)動作，還可實現(xiàn)線圈和電容器等周邊元器件的小型化。不僅有助于設(shè)備的節(jié)能化，還有助于實現(xiàn)進一步小型化。
圖4. ROHM新產(chǎn)品與普通IGBT模塊的損耗比較
③采用溝槽結(jié)構(gòu)的SiC-MOSFET產(chǎn)品
與現(xiàn)有量產(chǎn)中的SiC-MOSFET相比，同一芯片尺寸的導(dǎo)通損耗更低(導(dǎo)通電阻降低約50%)，同時實現(xiàn)了更高的開關(guān)性能(輸入電容降低約35%)(圖5)。
圖5. 溝槽結(jié)構(gòu)SiC-MOSFET的導(dǎo)通電阻、輸入電容特性
溝槽結(jié)構(gòu)因在SiC-MOSFET中采用，可有效降低導(dǎo)通電阻而備受關(guān)注。但為了確保元器件的長期可靠性，需要設(shè)計能夠緩和Gate Trench部分(通過有無施加電壓來控制MOSFET元件的開關(guān)ON/OFF的部位)產(chǎn)生的電場的結(jié)構(gòu)。因為當(dāng)僅在Gate Trench部位采用溝槽結(jié)構(gòu)時，Gate Trench結(jié)構(gòu)底部電場集中，很難確保元器件的可靠性。ROHM通過采用獨創(chuàng)的結(jié)構(gòu)，緩和了Gate Trench結(jié)構(gòu)底部的電場集中現(xiàn)象，從而成功實現(xiàn)了采用溝槽結(jié)構(gòu)的SiC-MOSFET的量產(chǎn)(圖6)。
圖6. ROHM的溝槽結(jié)構(gòu)SiC-MOSFET元件結(jié)構(gòu)
ROHM首先實現(xiàn)了采用量產(chǎn)中的溝槽結(jié)構(gòu)SiC-MOSFET元件的“全SiC”功率模塊的產(chǎn)品化。該產(chǎn)品的額定電壓為1200V，額定電流為180A，內(nèi)部電路為半橋配置。與同等額定水平的Si-IGBT功率模塊產(chǎn)品相比，其顯著優(yōu)勢當(dāng)然不必言說，即使與量產(chǎn)中的1200V/180A的SiC-MOSFET模塊相比，其開關(guān)損耗也大幅降低(圖7)。
圖7. 開關(guān)損耗比較
今后，ROHM計劃開發(fā)分立封裝的額定電壓650V、1200V的產(chǎn)品，并繼續(xù)擴充更大額定電流的產(chǎn)品群。
ROHM的智能功率模塊產(chǎn)品
與因元器件的特性優(yōu)勢而備受矚目的SiC功率元器件相比，在價格方面更具優(yōu)勢的硅材質(zhì)功率元器件產(chǎn)品的市場規(guī)模依然很大。ROHM也在致力于使用硅材質(zhì)半導(dǎo)體的功率元器件開發(fā)。不僅不斷完善IGBT和MOSFET等分立半導(dǎo)體、IC的產(chǎn)品群，還在不斷擴充功率元件和控制IC相結(jié)合的復(fù)合型產(chǎn)品陣容等，積極發(fā)揮綜合半導(dǎo)體元器件制造商的綜合實力優(yōu)勢，使產(chǎn)品陣容不斷壯大。下面簡單介紹一下相關(guān)產(chǎn)品。
①IGBT智能功率模塊(IGBT-IPM)
為降低功耗，眾多電機應(yīng)用中均實現(xiàn)了設(shè)備的變頻化。這些變頻設(shè)備中廣為采用的產(chǎn)品是將IGBT功率元件、控制它們的IC以及外圍電路1體化封裝的功率模塊產(chǎn)品(IPM：智能功率模塊)。ROHM的IGBT-IPM產(chǎn)品搭載自產(chǎn)的硅材質(zhì)IGBT元器件，并已投入量產(chǎn)(圖8)。
圖8. ROHM的IGBT-IPM(MOS-IPM)結(jié)構(gòu)
②MOS智能功率模塊(MOS-IPM)
近年來，在白色家電領(lǐng)域，節(jié)能趨勢尤為顯著。產(chǎn)品傾向于采用更接近實際使用情況的能效標(biāo)識APF(Annual Performance Factor)，不再僅僅關(guān)注功率負載較大的設(shè)備啟動時和額定條件下的節(jié)能，要求在負載較小的正常運轉(zhuǎn)時更節(jié)能的趨勢日益高漲。
ROHM 不僅實現(xiàn)了IGBT-IPM的量產(chǎn)，還開發(fā)出搭載自產(chǎn)的低導(dǎo)通電阻“PrestoMOS”、并融入獨有的IC控制技術(shù)的MOS-IPM產(chǎn)品，并已于2015年8月投入量產(chǎn)。
l采用可支持大電流的PrestoMOS
一般MOSFET具有在高速開關(guān)條件下和低電流范圍內(nèi)的導(dǎo)通損耗較低的優(yōu)勢，以及降低設(shè)備正常運轉(zhuǎn)時的功耗的效果。ROHM通過采用自產(chǎn)PrestoMOS，不僅達到了以往的MOSFET很難實現(xiàn)的可支持更大電流的功效，更大大降低導(dǎo)通損耗，實現(xiàn)了IPM的產(chǎn)品化。
l采用ROHM獨有的電路技術(shù)的柵極驅(qū)動器IC
ROHM通過采用獨有的柵極驅(qū)動電路，進一步實現(xiàn)了IPM產(chǎn)品的高效化。例如，通過導(dǎo)入可防止高電壓條件下高速開關(guān)動作容易產(chǎn)生的MOSFET誤動作的電路，實現(xiàn)高速開關(guān)動作，以降低開關(guān)損耗。另外，考慮到開關(guān)時產(chǎn)生的噪音，優(yōu)化了開關(guān)損耗和噪音的平衡關(guān)系，從而實現(xiàn)了可最大限度充分發(fā)揮PrestoMOS性能的柵極驅(qū)動。
由于具備這些特點，在低電流工作條件下，ROHM生產(chǎn)的MOS-IPM產(chǎn)品與IGBT-IPM產(chǎn)品相比，損耗大幅降低。通過業(yè)界頂級的低功耗，為整個應(yīng)用的進一步節(jié)能做出貢獻(圖9)。
圖9. 普通IGBT-IPM與ROHM的MOS-IPM的損耗比較
為了進一步實現(xiàn)節(jié)能化，ROHM在已經(jīng)實際應(yīng)用的SiC功率元器件領(lǐng)域，進一步推進技術(shù)革新。另外，在硅材質(zhì)半導(dǎo)體領(lǐng)域，也將不斷完善產(chǎn)品陣容，同時，積極拓展包括控制IC在內(nèi)的復(fù)合型產(chǎn)品群。
今后，ROHM將繼續(xù)致力于推進在節(jié)能方面為社會貢獻力量的元器件開發(fā)。
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