【導(dǎo)讀】半導(dǎo)體功率元器件在功率轉(zhuǎn)換當(dāng)中是重要的一環(huán)，由于其對(duì)所有電子設(shè)備的節(jié)能化都有著巨大的貢獻(xiàn)，因此半導(dǎo)體功率元器件在未來(lái)的技術(shù)發(fā)展動(dòng)向受到了業(yè)界的廣泛關(guān)注。
ROHM針對(duì)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(guò)程中積累起來(lái)的技術(shù)得到進(jìn)一步發(fā)展的功率元器件產(chǎn)品的陣容壯大。其中，在實(shí)現(xiàn)了具有硅半導(dǎo)體無(wú)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(shí)施產(chǎn)品擴(kuò)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(shì)，在傳統(tǒng)的硅半導(dǎo)體產(chǎn)品領(lǐng)域，也在不斷擴(kuò)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(jìn)性，多年來(lái)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(xiàn)。
ROHM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(jiǎn)單介紹一下SiC功率元器件的產(chǎn)品陣容及其特點(diǎn)。
SiC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(guó)內(nèi)及海外眾多電動(dòng)汽車、插入式混合動(dòng)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(jí)）
SiC-MOSFET：耐壓超過(guò)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(guò)碳化硅（SiC）半導(dǎo)體則可以實(shí)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(dòng)頻率越來(lái)越高的設(shè)備小型化（過(guò)濾器、冷卻機(jī)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
SiC功率模塊：ROHM實(shí)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
實(shí)現(xiàn)了更大電流的1200V/300A“全SiC”功率模塊
ROHM已于2012年實(shí)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(shí)現(xiàn)更大電流規(guī)格方面非常重要的技術(shù)。ROHM通過(guò)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(shí)現(xiàn)設(shè)備中的冷卻機(jī)構(gòu)的小型化。不僅如此，還適用高頻驅(qū)動(dòng)，例如在30kHz的開關(guān)頻率下使用功率模塊時(shí)，與IGBT模塊相比，導(dǎo)通損耗和開關(guān)損耗合計(jì)共可降低約60%（圖4）。
通過(guò)更高頻率的開關(guān)動(dòng)作，還可實(shí)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(shí)現(xiàn)進(jìn)一步小型化。
圖4. ROHM新產(chǎn)品與普通IGBT模塊的損耗比較
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(shí)實(shí)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(zhǎng)期可靠性，需要設(shè)計(jì)能夠緩和Gate Trench部分（通過(guò)有無(wú)施加電壓來(lái)控制MOSFET元件的開關(guān)ON/OFF的部位）產(chǎn)生的電場(chǎng)的結(jié)構(gòu)。因?yàn)楫?dāng)僅在Gate Trench部位采用溝槽結(jié)構(gòu)時(shí)，Gate Trench結(jié)構(gòu)底部電場(chǎng)集中，很難確保元器件的可靠性。ROHM通過(guò)采用獨(dú)創(chuàng)的結(jié)構(gòu)，緩和了Gate Trench結(jié)構(gòu)底部的電場(chǎng)集中現(xiàn)象，從而成功實(shí)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(shí)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(shì)當(dāng)然不必言說(shuō)，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(jì)劃開發(fā)分立封裝的額定電壓650V、1200V的產(chǎn)品，并繼續(xù)擴(kuò)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(shì)而備受矚目的SiC功率元器件相比，在價(jià)格方面更具優(yōu)勢(shì)的硅材質(zhì)功率元器件產(chǎn)品的市場(chǎng)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(kuò)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(shí)力優(yōu)勢(shì)，使產(chǎn)品陣容不斷壯大。下面簡(jiǎn)單介紹一下相關(guān)產(chǎn)品。
IGBT智能功率模塊（IGBT-IPM）
為降低功耗，眾多電機(jī)應(yīng)用中均實(shí)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)
MOS智能功率模塊（MOS-IPM）
近年來(lái)，在白色家電領(lǐng)域，節(jié)能趨勢(shì)尤為顯著。產(chǎn)品傾向于采用更接近實(shí)際使用情況的能效標(biāo)識(shí)APF（Annual Performance Factor），不再僅僅關(guān)注功率負(fù)載較大的設(shè)備啟動(dòng)時(shí)和額定條件下的節(jié)能，要求在負(fù)載較小的正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)更節(jié)能的趨勢(shì)日益高漲。
ROHM 不僅實(shí)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(dú)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)。
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(shì)，以及降低設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的功耗的效果。ROHM通過(guò)采用自產(chǎn)PrestoMOS，不僅達(dá)到了以往的MOSFET很難實(shí)現(xiàn)的可支持更大電流的功效，更大大降低導(dǎo)通損耗，實(shí)現(xiàn)了IPM的產(chǎn)品化。
采用ROHM獨(dú)有的電路技術(shù)的柵極驅(qū)動(dòng)器IC
ROHM通過(guò)采用獨(dú)有的柵極驅(qū)動(dòng)電路，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了IPM產(chǎn)品的高效化。例如，通過(guò)導(dǎo)入可防止高電壓條件下高速開關(guān)動(dòng)作容易產(chǎn)生的MOSFET誤動(dòng)作的電路，實(shí)現(xiàn)高速開關(guān)動(dòng)作，以降低開關(guān)損耗。另外，考慮到開關(guān)時(shí)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(shí)現(xiàn)了可最大限度充分發(fā)揮PrestoMOS性能的柵極驅(qū)動(dòng)。
由于具備這些特點(diǎn)，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(guò)業(yè)界頂級(jí)的低功耗，為整個(gè)應(yīng)用的進(jìn)一步節(jié)能做出貢獻(xiàn)（圖9）。
圖9. 普通IGBT-IPM與ROHM的MOS-IPM的損耗比較
為了進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)節(jié)能化，ROHM在已經(jīng)實(shí)際應(yīng)用的SiC功率元器件領(lǐng)域，進(jìn)一步推進(jìn)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(shí)，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(jìn)在節(jié)能方面為社會(huì)貢獻(xiàn)力量的元器件開發(fā)。
