前言
全球知名半導體制造商ROHM利用多年來在消費電子領(lǐng)域積累的技術(shù)優(yōu)勢，正在積極推進面向工業(yè)設(shè)備領(lǐng)域的產(chǎn)品陣容擴充。在支撐“節(jié)能、創(chuàng)能、蓄能”技術(shù)的半導體功率元器件領(lǐng)域，ROHM實現(xiàn)了具有硅半導體無法得到的突破性特性的碳化硅半導體(SiC半導體)的量產(chǎn)。另外，在傳統(tǒng)的硅半導體功率元器件領(lǐng)域，實現(xiàn)了從分立式半導體到IC全覆蓋的融合了ROHM綜合實力的復合型產(chǎn)品群。下面介紹這些產(chǎn)品中的一部分。
已逐步滲透到生活中的SiC功率元器件
SiC功率元器件是以碳和硅組成的化合物半導體碳化硅(Silicon carbide)為材料制作的功率半導體，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。SiC功率元器件現(xiàn)已逐漸成為現(xiàn)代日常生活中所普遍使用的“身邊的”元器件。(圖1)
SiC功率元器件的應用案例(含部分開發(fā)中的案例)：
●“家庭里的SiC” PC電源、太陽能發(fā)電功率調(diào)節(jié)器(家庭用)、空調(diào)等
●“工業(yè)中的SiC” 數(shù)據(jù)中心、UPS、工廠搬運機器人、高頻感應加熱設(shè)備(IH)與高頻電源、太陽能發(fā)電功率調(diào)節(jié)器(太陽能發(fā)電站等非家庭用)等
●“城鎮(zhèn)里的SiC” 電動汽車(車載充電器)、快速充電站、發(fā)電機、醫(yī)療診斷設(shè)備等
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。
①SiC肖特基二極管
自2001年世界首次實現(xiàn)SiC肖特基二極管的量產(chǎn)以來已經(jīng)過去10年多了，ROHM在2010年成為日本國內(nèi)第一家實現(xiàn)SiC肖特基二極管量產(chǎn)的制造商?，F(xiàn)在，ROHM正在擴充第2代產(chǎn)品的陣容，與第1代舊產(chǎn)品相比，第2代產(chǎn)品不僅保持了非常短的反向恢復時間，同時正向電壓還降低了0.15V。(圖2)
圖2. SiC肖特基二極管的順向電壓比較(650V 10A級)
產(chǎn)品陣容包括650V和1200V兩種耐壓、TO-220絕緣/非絕緣、TO-247和D2PAK等多種封裝的產(chǎn)品。另外，與硅材質(zhì)的快速恢復二極管(FRD)相比，可大幅降低反向恢復損耗，因此，在從家電到工業(yè)設(shè)備等眾多領(lǐng)域的高頻電路中應用日益廣泛(圖3)。ROHM還擁有滿足汽車級電子元器件標準AEC-Q101的產(chǎn)品，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用。
圖3.SiC肖特基二極管和硅材質(zhì)FRD的特性比較(650V 10A級)
②SiC MOSFET
一直以來，與肖特基二極管相比，SiC MOSFET具有本體二極管通電引發(fā)特性劣化(MOSFET的導通電阻、本體二極管的正向電壓上升)問題，而其帶來的可靠性問題一直是阻礙量產(chǎn)化的課題。
ROHM通過改善晶體缺陷相關(guān)的工藝和元件結(jié)構(gòu)，于2010年12月領(lǐng)先世界實現(xiàn)了SiC MOSFET的量產(chǎn)。
現(xiàn)在，ROHM正在加速650V及1200V耐壓的第2代產(chǎn)品的研發(fā)。
與作為耐高壓的開關(guān)元件被廣泛應用的硅材質(zhì)IGBT相比，SiC MOSFET開關(guān)損耗具有絕對優(yōu)勢，僅為1/5左右，因此，在驅(qū)動頻率越來越高所要求的設(shè)備小型化(過濾器的小型化、冷卻機構(gòu)的小型化)和電力轉(zhuǎn)換效率的提升等方面效果顯著。(圖4)
圖4. Si-IGBT和SiC MOSFET的開關(guān)損耗比較
③SiC功率模塊
ROHM迅速開發(fā)出內(nèi)置的功率元件全部由SiC功率元件構(gòu)成的“全SiC”功率模塊，并于2012年投入量產(chǎn)。迄今，已有額定1200V 120～180A的兩種功率模塊在ROHM公司內(nèi)部的生產(chǎn)線實施量產(chǎn)。另外，額定1200V 300A的功率模塊預計在2014年內(nèi)將投入量產(chǎn)，今后計劃繼續(xù)擴大額定電流和額定電壓的范圍(圖5)。這些SiC功率模塊也已與離散型SiC MOSFET一并在非家庭用的太陽能發(fā)電功率調(diào)節(jié)器和高頻電源等主要以工業(yè)用途為中心的應用中在全球范圍被采用。
圖5. SiC功率模塊的外觀
④今后產(chǎn)品擴充
SiC肖特基二極管和SiC MOSFET均計劃擴充耐壓1700V的產(chǎn)品系列。不僅如此，ROHM還正在開發(fā)可大幅降低芯片單位面積的導通電阻的、采用溝槽柵極結(jié)構(gòu)的第3代SiC MOSFET。通過降低導通電阻和芯片成本，有望成為加速SiC普及的技術(shù)。
源于ROHM綜合實力的硅材質(zhì)IGBT功率元器件
在要求高頻、耐高壓兼?zhèn)涞念I(lǐng)域，SiC功率元器件利用開關(guān)損耗小的優(yōu)勢，所發(fā)揮的效果尤為顯著。與此相對，具有價格優(yōu)勢的硅材質(zhì)功率元器件的活躍領(lǐng)域仍舊很大。在這種背景下，ROHM在傳統(tǒng)的硅半導體功率元器件領(lǐng)域也在進行特色產(chǎn)品的開發(fā)，比如同時擁有MOSFET和IGBT特點的“Hybrid MOS”的開發(fā)等。
在硅材質(zhì)IGBT領(lǐng)域，ROHM不僅擁有單獨的半導體單體，作為綜合型半導體產(chǎn)品制造商，還擁有融合了集團綜合實力的復合型產(chǎn)品，相關(guān)產(chǎn)品陣容正日益擴大。下面介紹ROHM的硅材質(zhì)IGBT功率元器件的產(chǎn)品陣容。
①IGBT單品
ROHM已推出兩種耐壓650V的IGBT元件產(chǎn)品。一種是RGTH系列，該系列不僅具備低飽和電壓特性(額定電流下1.6V typ.)，而且其設(shè)計非常重視轉(zhuǎn)換器電路所要求的高速開關(guān)性能，非常適用于開關(guān)電源的功率因數(shù)改善電路(PFC)、太陽能發(fā)電功率調(diào)節(jié)器的升壓電路等。另一種是RGT系列，該系列也具備低飽和電壓特性(額定電流下1.65V typ.)，而且具備逆變器電路應用中尤為需要的短路耐量保證(5μS)，很適合空調(diào)、洗衣機等白色家電、太陽能發(fā)電功率調(diào)節(jié)器、焊接機等的逆變器電路等應用。兩種產(chǎn)品系列均含有將超高速軟恢復FRD集于同一封裝內(nèi)的產(chǎn)品。今后，ROHM計劃逐步完善1200V耐壓的產(chǎn)品系列、符合AEC-Q101標準的車載應用產(chǎn)品系列等的產(chǎn)品陣容。
②IGBT IPM
ROHM的產(chǎn)品陣容中還新增了將低飽和電壓特性卓越的IGBT單品、超高速軟恢復FRD與柵極驅(qū)動IC、自舉二極管集成于逆變器的IPM(智能功率模塊)。(圖6)
圖6. ROHM的IGBT-IPM
下面是該產(chǎn)品的特點：
・采用應用了600V SOI工藝的柵極驅(qū)動IC，不會發(fā)生閉鎖引發(fā)的故障。
・自舉電路的限流電阻采用ROHM獨有的電流限制方式，抑制啟動時的浪涌電流的同時，實現(xiàn)上臂側(cè)浮動電源的穩(wěn)定化。
・配有UVLO、短路保護、溫度檢測功能等保護功能。
・采用業(yè)界頂級的低熱阻陶瓷絕緣封裝。
預計兩種面向白色家電和小容量工業(yè)電機驅(qū)動用途的系列產(chǎn)品--在低載波頻率(4～6kHz左右)下驅(qū)動、降低了飽和電壓VCEsat的“低速開關(guān)驅(qū)動系列”，和在高載波頻率(15-20kHz左右)下驅(qū)動、降低了開關(guān)損耗的“高速開關(guān)驅(qū)動系列” 將在2014年內(nèi)實現(xiàn)量產(chǎn)(圖7)。
圖7. 適用不同載波頻率的系列產(chǎn)品擴充
③點火裝置用IGBT
作為車載應用的產(chǎn)品，ROHM推出了汽油發(fā)動機點火裝置用IGBT，預計將于2014年末開始投入量產(chǎn)(圖8)。
圖8. 點火裝置用IGBT的開發(fā)路線圖
該產(chǎn)品不僅保證該應用所要求的雪崩耐量(250mJ @25℃)，還實現(xiàn)了低飽和電壓特性。采用D-PAK封裝，并滿足汽車級電子元器件標準AEC-Q101的要求。
今后，繼推出集電極-發(fā)射極間保護電壓430±30V的產(chǎn)品之后，ROHM將通過集電極-發(fā)射極間保護電壓與雪崩耐量的組合，繼續(xù)進行機種擴充;并進行包括驅(qū)動IC在內(nèi)的封裝一體化“點火裝置IGBT IPM”等所關(guān)注產(chǎn)品的開發(fā)。
結(jié)語
ROHM的功率元器件不僅在備受矚目的SiC半導體領(lǐng)域，在硅半導體領(lǐng)域也在不斷完善著產(chǎn)品陣容。今后也會繼續(xù)發(fā)揮ROHM從分立式半導體到IC全覆蓋的綜合實力，不斷推出滿足多樣化市場需求的產(chǎn)品。
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