日益壮大的ROHM最新功率元器件产品阵容

2014年9月22日

【ROHM半导体(上海)有限公司 9月22日上海讯】

前言

全球知名半导体制造商ROHM利用多年来在消费电子领域积累的技术优势,正在积极推进面向工业设备领域的产品阵容扩充。在支撑"节能、创能、蓄能"技术的半导体功率元器件领域,ROHM实现了具有硅半导体无法得到的突破性特性的碳化硅半导体(SiC半导体)的量产。另外,在传统的硅半导体功率元器件领域,实现了从分立式半导体到IC全覆盖的融合了ROHM综合实力的复合型产品群。下面介绍这些产品中的一部分。

已逐步渗透到生活中的SiC功率元器件

SiC功率元器件是以碳和硅组成的化合物半导体碳化硅(Silicon carbide)为材料制作的功率半导体,因其所具备的优异性能与先进性,多年来一直作为"理想的元器件"而备受瞩目。SiC功率元器件现已逐渐成为现代日常生活中所普遍使用的"身边的"元器件。(图1)

在生活中使用范围日益扩大的SiC功率元器件
图1.在生活中使用范围日益扩大的SiC功率元器件

SiC功率元器件的应用案例(含部分开发中的案例):

  • "家庭里的SiC"PC电源、太阳能发电功率调节器(家庭用)、空调等
  • "工业中的SiC"数据中心、UPS、工厂搬运机器人、高频感应加热设备(IH)与高频电源、太阳能发电功率调节器(太阳能发电站等非家庭用)等
  • "城镇里的SiC"电动汽车(车载充电器)、快速充电站、发电机、医疗诊断设备等

从SiC功率元器件的研究开发到量产,ROHM一直遥遥领先于业界。下面简单介绍一下SiC功率元器件的产品阵容及其特点。

1.SiC肖特基二极管

自2001年世界首次实现SiC肖特基二极管的量产以来已经过去10年多了,ROHM在2010年成为日本国内第一家实现SiC肖特基二极管量产的制造商。现在,ROHM正在扩充第2代产品的阵容,与第1代旧产品相比,第2代产品不仅保持了非常短的反向恢复时间,同时正向电压还降低了0.15V。(图2)

SiC肖特基二极管的顺向电压比较(650V 10A级)
图2.SiC肖特基二极管的顺向电压比较(650V 10A级)

产品阵容包括650V和1200V两种耐压、TO-220绝缘/非绝缘、TO-247和D2PAK等多种封装的产品。另外,与硅材质的快速恢复二极管(FRD)相比,可大幅降低反向恢复损耗,因此,在从家电到工业设备等众多领域的高频电路中应用日益广泛(图3)。ROHM还拥有满足汽车级电子元器件标准AEC-Q101的产品,已在日本国内及海外众多电动汽车、插入式混合动力车的车载充电电路中得到广泛应用。

SiC肖特基二极管和硅材质FRD的特性比较(650V 10A级)
图3.SiC肖特基二极管和硅材质FRD的特性比较(650V 10A级)

2.SiC MOSFET

一直以来,与肖特基二极管相比,SiC MOSFET具有本体二极管通电引发特性劣化(MOSFET的导通电阻、本体二极管的正向电压上升)问题,而其带来的可靠性问题一直是阻碍量产化的课题。
ROHM通过改善晶体缺陷相关的工艺和元件结构,于2010年12月领先世界实现了SiC MOSFET的量产。
现在,ROHM正在加速650V及1200V耐压的第2代产品的研发。
与作为耐高压的开关元件被广泛应用的硅材质IGBT相比,SiC MOSFET开关损耗具有绝对优势,仅为1/5左右,因此,在驱动频率越来越高所要求的设备小型化(过滤器的小型化、冷却机构的小型化)和电力转换效率的提升等方面效果显著。(图4)

Si-IGBT和SiC MOSFET的开关损耗比较
图4.Si-IGBT和SiC MOSFET的开关损耗比较

3.SiC功率模块

ROHM迅速开发出内置的功率元件全部由SiC功率元件构成的"全SiC"功率模块,并于2012年投入量产。迄今,已有额定1200V 120~180A的两种功率模块在ROHM公司内部的生产线实施量产。另外,额定1200V 300A的功率模块预计在2014年内将投入量产,今后计划继续扩大额定电流和额定电压的范围(图5)。这些SiC功率模块也已与离散型SiC MOSFET一并在非家庭用的太阳能发电功率调节器和高频电源等主要以工业用途为中心的应用中在全球范围被采用。

SiC功率模块的外观
图5.SiC功率模块的外观

4.今后产品扩充

SiC肖特基二极管和SiC MOSFET均计划扩充耐压1700V的产品系列。不仅如此,ROHM还正在开发可大幅降低芯片单位面积的导通电阻的、采用沟槽栅极结构的第3代SiC MOSFET。通过降低导通电阻和芯片成本,有望成为加速SiC普及的技术。

源于ROHM综合实力的硅材质IGBT功率元器件

在要求高频、耐高压兼备的领域,SiC功率元器件利用开关损耗小的优势,所发挥的效果尤为显著。与此相对,具有价格优势的硅材质功率元器件的活跃领域仍旧很大。在这种背景下,ROHM在传统的硅半导体功率元器件领域也在进行特色产品的开发,比如同时拥有MOSFET和IGBT特点的"Hybrid MOS"的开发等。
在硅材质IGBT领域,ROHM不仅拥有单独的半导体单体,作为综合型半导体产品制造商,还拥有融合了集团综合实力的复合型产品,相关产品阵容正日益扩大。下面介绍ROHM的硅材质IGBT功率元器件的产品阵容。

1.IGBT单品

ROHM已推出两种耐压650V的IGBT元件产品。一种是RGTH系列,该系列不仅具备低饱和电压特性(额定电流下1.6V typ.),而且其设计非常重视转换器电路所要求的高速开关性能,非常适用于开关电源的功率因数改善电路(PFC)、太阳能发电功率调节器的升压电路等。另一种是RGT系列,该系列也具备低饱和电压特性(额定电流下1.65V typ.),而且具备逆变器电路应用中尤为需要的短路耐量保证(5µS),很适合空调、洗衣机等白色家电、太阳能发电功率调节器、焊接机等的逆变器电路等应用。两种产品系列均含有将超高速软恢复FRD集于同一封装内的产品。今后,ROHM计划逐步完善1200V耐压的产品系列、符合AEC-Q101标准的车载应用产品系列等的产品阵容。

2.IGBT IPM

ROHM的产品阵容中还新增了将低饱和电压特性卓越的IGBT单品、超高速软恢复FRD与栅极驱动IC、自举二极管集成于逆变器的IPM(智能功率模块)。(图6)

ROHM的IGBT-IPM
图6.ROHM的IGBT-IPM

下面是该产品的特点:

  • 采用应用了600V SOI工艺的栅极驱动IC,不会发生闭锁引发的故障。
  • 自举电路的限流电阻采用ROHM独有的电流限制方式,抑制启动时的浪涌电流的同时,实现上臂侧浮动电源的稳定化。
  • 配有UVLO、短路保护、温度检测功能等保护功能。
  • 采用业界顶级的低热阻陶瓷绝缘封装。

预计两种面向白色家电和小容量工业电机驱动用途的系列产品--在低载波频率(4~6kHz左右)下驱动、降低了饱和电压VCEsat的"低速开关驱动系列",和在高载波频率(15-20kHz左右)下驱动、降低了开关损耗的"高速开关驱动系列" 将在2014年内实现量产(图7)。

适用不同载波频率的系列产品扩充
图7.适用不同载波频率的系列产品扩充

3.点火装置用IGBT

作为车载应用的产品,ROHM推出了汽油发动机点火装置用IGBT,预计将于2014年末开始投入量产(图8)。

点火装置用IGBT的开发路线图
图8.点火装置用IGBT的开发路线图

该产品不仅保证该应用所要求的雪崩耐量(250mJ @25ºC),还实现了低饱和电压特性。采用D-PAK封装,并满足汽车级电子元器件标准AEC-Q101的要求。
今后,继推出集电极-发射极间保护电压430±30V的产品之后,ROHM将通过集电极-发射极间保护电压与雪崩耐量的组合,继续进行机种扩充;并进行包括驱动IC在内的封装一体化"点火装置IGBT IPM"等所关注产品的开发。

结语

ROHM的功率元器件不仅在备受瞩目的SiC半导体领域,在硅半导体领域也在不断完善着产品阵容。今后也会继续发挥ROHM从分立式半导体到IC全覆盖的综合实力,不断推出满足多样化市场需求的产品。

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