不断发展的ROHM最新功率元器件

2015年9月23日

前言

用于功率转换的半导体功率元器件,由于对所有设备的节能化贡献巨大,其未来的技术发展动向受到广泛关注。
ROHM针对这种节能化要求日益高涨的历史潮流,致力将在使分立半导体、IC的开发与制造过程中积累起来的技术得到进一步发展的功率元器件产品的阵容壮大。其中,在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)产品领域,正在实施产品扩充,并遥遥领先于业界。另外,充分发挥综合半导体产品制造商的优势,在传统的硅半导体产品领域,也在不断扩大与控制IC相结合的复合型产品群。下面介绍ROHM最新的功率元器件。

碳化硅(SiC)半导体产品

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。如今已在工业、车载、铁路、家庭等众多应用中被广为采用与研究,为设备的节能化做着贡献。

(1)ROHM的碳化硅(SiC)半导体产品
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。

■ SiC肖特基二极管:具有低开关损耗、低正向电压特性的产品(图1)。在高效电源等设备中应用广泛。ROHM拥有满足AEC-Q101标准的分立产品阵容,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肖特基二极管与硅材质FRD特性比较(650V10A级)
图1.SiC肖特基二极管与硅材质FRD特性比较(650V10A级)

■ SiC-MOSFET:耐压超过1000V的MOSFET元器件,采用硅半导体很难创造出导通损耗足够低的器件,但通过碳化硅(SiC)半导体则可以实现。另外,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的开关损耗仅为1/5左右,因此,在驱动频率越来越高的设备小型化(过滤器、冷却机构)和功率转换效率的提升等方面有望获得显著效果。(图2)。

Si-IGBT和SiC MOSFET的开关损耗比较
图2.普通Si-IGBT和ROHM的SiC-MOSFET的开关损耗比较

■ SiC功率模块:ROHM实现了功率元件全部由SiC功率元件构成的"全SiC"功率模块的量产(图3)。

SiC功率模块的外观
图3.SiC功率模块的外观

(2)实现了更大电流的1200V/300A"全SiC"功率模块
ROHM已于2012年实现了1200V/120A、180A产品的量产。并于2015年6月开始将1200V/300A新产品投入量产。
为充分发挥SiC功率元器件的高速开关性能,使模块内部的电感更低是在实现更大电流规格方面非常重要的技术。ROHM通过优化内置SiC元件的配置及内部格局,开发出内部电感比已经量产中产品(120A、180A)降低约一半的模块,成功开发出额定电流300A的产品。
与同等额定电流的IGBT模块相比,开关损耗可降低77%。使用本产品可大幅降低开关损耗,从而可实现设备中的冷却机构的小型化。不仅如此,还适用高频驱动,例如在30kHz的开关频率下使用功率模块时,与IGBT模块相比,导通损耗和开关损耗合计共可降低约60%的损耗(图4)。
通过更高频率的开关动作,还可实现线圈和电容器等周边元器件的小型化。不仅有助于设备的节能化,还有助于实现进一步小型化。

新产品与IGBT模块的损耗比较
图4.ROHM新产品与普通IGBT模块的损耗比较

(3)采用沟槽结构的SiC-MOSFET产品
与现有量产中的SiC-MOSFET相比,同一芯片尺寸的导通损耗(导通电阻降低约50%)更低,同时实现了更高的开关性能(输入电容降低约35%)(图5)。

新一代SiC-MOSFET产品的导通电阻、输入电容特性
图5.沟槽结构SiC-MOSFET产品的导通电阻、输入电容特性

沟槽结构因在SiC-MOSFET中采用,可有效降低导通电阻而备受关注,但为了确保元器件的长期可靠性,需要设计能够缓和Gate Trench部分(通过有无施加电压来控制MOSFET元件的开关ON/OFF的部位)产生的电场的结构。因为当仅在Gate Trench部位采用沟槽结构时,Gate Trench结构底部电场集中,很难确保元器件的可靠性。ROHM通过采用独创的结构,缓和了Gate Trench结构底部的电场集中现象,从而成功实现了采用沟槽结构的SiC-MOSFET的量产(图6)。

ROHM的新一代SiC-MOSFET元件结构
图6.ROHM的沟槽结构SiC-MOSFET的元件结构

ROHM首先实现了采用量产中的沟槽结构SiC-MOSFET元件的"全SiC"功率模块的产品化。该产品的额定电压为1200V,额定电流为180A,内部电路为半桥配置。与同等额定水平的Si-IGBT功率模块产品相比,其显著优势当然不必言说,即使与量产中的1200V/180A的SiC-MOSFET模块相比,其开关损耗也大幅降低(图7)。

开关损耗比较
图7.开关损耗比较

今后,ROHM计划开发分立封装的额定电压650V、1200V的产品,并继续扩充更大额定电流的产品群。

ROHM的智能功率模块产品

与因元器件的特性优势而备受瞩目的SiC功率元器件相比,在价格方面更具优势的硅材质功率元器件产品的市场规模依然很大。ROHM也在致力于使用硅材质半导体的功率元器件开发。不仅不断完善IGBT和MOSFET等分立半导体、IC的产品群,还在不断扩充功率元件和控制IC相结合的复合型产品阵容等,积极发挥综合半导体元器件制造商的综合实力优势,使产品阵容不断壮大。下面简单介绍一下相关产品。

(1)IGBT智能功率模块(IGBT-IPM)
为降低功耗,众多电机应用中均实现了设备的变频化。这些变频设备中广为采用的产品是将IGBT功率元件、控制它们的IC以及外围电路1体化封装的功率模块产品(IPM:智能功率模块)。ROHM的IGBT-IPM产品搭载自产的硅材质IGBT元器件,并已投入量产(图8)。

ROHM的IGBT-IPM(MOS-IPM)结构
图8.ROHM的IGBT-IPM(MOS-IPM)结构

(2)MOS智能功率模块(MOS-IPM)
近年来,在白色家电领域,节能趋势尤为显著。产品倾向于采用更接近实际使用情况的能效标识APF(Annual Performance Factor),不再仅仅关注功率负载较大的设备启动时和额定条件下的节能,要求在负载较小的正常运转时更节能的趋势日益高涨。
ROHM 不仅实现了IGBT-IPM的量产,还开发出搭载自产的低导通电阻"PrestoMOS"、并融入独有的IC控制技术的MOS-IPM产品,已于2015年8月投入量产。

■ 采用可支持大电流的PrestoMOS
一般MOSFET具有在高速开关条件下和低电流范围内的导通损耗较低的优势,具有降低设备正常运转时的功耗的效果。ROHM通过采用以往的MOSFET很难实现的可支持更大电流的自产PrestoMOS,大大降低导通损耗,实现了IPM的产品化。

■ 采用ROHM独有的电路技术的栅极驱动器IC
ROHM通过采用独有的栅极驱动电路,进一步实现了IPM产品的高效化。例如,通过导入可防止高电压条件下高速开关动作容易产生的MOSFET误动作的电路,实现高速开关动作,以降低开关损耗。而且,还考虑到开关时产生的噪音,优化了开关损耗和噪音的平衡关系,从而实现了可最大限度充分发挥PrestoMOS性能的栅极驱动。

由于具备这些特点,在低电流工作条件下,ROHM生产的MOS-IPM产品与IGBT-IPM产品相比,损耗大幅降低。通过业界顶级的低功耗,为整个应用的进一步节能做出贡献(图9)。

MOS-IPM与IGBT-IPM的损耗比较
图9.普通IGBT-IPM与ROHM的MOS-IPM的损耗比较

结语

为了进一步实现节能化,ROHM在已经实际应用的SiC功率元器件领域,进一步推进技术革新。另外,在硅材质半导体领域,也将不断完善产品阵容,同时,积极拓展包括控制IC在内的复合型产品群。
今后,ROHM将继续致力于推进在节能方面为社会贡献力量的元器件开发。

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