【導讀】半導體功率元器件在功率轉換當中是重要的一環(huán)，由于其對所有電子設備的節(jié)能化都有著巨大的貢獻，因此半導體功率元器件在未來的技術發(fā)展動向受到了業(yè)界的廣泛關注。
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體、IC的開發(fā)與制造過程中積累起來的技術得到進一步發(fā)展的功率元器件產品的陣容壯大。其中，在實現(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）產品領域，正在實施產品擴充戰(zhàn)略，并遙遙領先于業(yè)界。另外，充分發(fā)揮綜合半導體產品制造商的優(yōu)勢，在傳統(tǒng)的硅半導體產品領域，也在不斷擴大與控制IC相結合的復合型產品群。下面介紹ROHM最新的功率元器件。
碳化硅（SiC）半導體產品
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。如今已在工業(yè)、車載、鐵路、家庭等眾多應用中被廣為采用與研究，為設備的節(jié)能化做著貢獻。
ROHM的碳化硅（SiC）半導體產品
從SiC功率元器件的研究開發(fā)到量產，ROHM一直遙遙領先于業(yè)界。下面簡單介紹一下SiC功率元器件的產品陣容及其特點。
SiC肖特基二極管：具有低開關損耗、低正向電壓特性的產品（圖1）。在高效電源等設備中應用廣泛。ROHM擁有滿足AEC-Q101標準的分立產品陣容，已在日本國內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1.SiC肖特基二極管與硅材質FRD特性比較（650V/10A級）
SiC-MOSFET：耐壓超過1000V的MOSFET元器件，采用硅半導體很難創(chuàng)造出導通損耗足夠低的器件，但通過碳化硅（SiC）半導體則可以實現(xiàn)。另外，與作為耐高壓的開關元件被廣泛應用的硅材質IGBT相比，SiC-MOSFET的開關損耗僅為1/5左右，因此，在驅動頻率越來越高的設備小型化（過濾器、冷卻機構）和功率轉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的開關損耗比較
SiC功率模塊：ROHM實現(xiàn)了功率元件全部由SiC功率元件構成的“全SiC”功率模塊的量產（圖3）。
圖3. SiC功率模塊的外觀
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產品的量產。并于2015年6月開始將1200V/300A新產品投入量產。
為充分發(fā)揮SiC功率元器件的高速開關性能，使模塊內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。ROHM通過優(yōu)化內置SiC元件的配置及內部格局，開發(fā)出內部電感比已經(jīng)量產中產品（120A、180A）降低約一半的模塊，成功開發(fā)出額定電流300A的產品。
與同等額定電流的IGBT模塊相比，開關損耗可降低77%。使用本產品可大幅降低開關損耗，從而實現(xiàn)設備中的冷卻機構的小型化。不僅如此，還適用高頻驅動，例如在30kHz的開關頻率下使用功率模塊時，與IGBT模塊相比，導通損耗和開關損耗合計共可降低約60%（圖4）。
通過更高頻率的開關動作，還可實現(xiàn)線圈和電容器等周邊元器件的小型化。不僅有助于設備的節(jié)能化，還有助于實現(xiàn)進一步小型化。
圖4. ROHM新產品與普通IGBT模塊的損耗比較
采用溝槽結構的SiC-MOSFET產品
與現(xiàn)有量產中的SiC-MOSFET相比，同一芯片尺寸的導通損耗更低（導通電阻降低約50%），同時實現(xiàn)了更高的開關性能（輸入電容降低約35%）（圖5）。
圖5. 溝槽結構SiC-MOSFET的導通電阻、輸入電容特性
溝槽結構因在SiC-MOSFET中采用，可有效降低導通電阻而備受關注。但為了確保元器件的長期可靠性，需要設計能夠緩和Gate Trench部分（通過有無施加電壓來控制MOSFET元件的開關ON/OFF的部位）產生的電場的結構。因為當僅在Gate Trench部位采用溝槽結構時，Gate Trench結構底部電場集中，很難確保元器件的可靠性。ROHM通過采用獨創(chuàng)的結構，緩和了Gate Trench結構底部的電場集中現(xiàn)象，從而成功實現(xiàn)了采用溝槽結構的SiC-MOSFET的量產（圖6）。
圖6. ROHM的溝槽結構SiC-MOSFET元件結構
ROHM首先實現(xiàn)了采用量產中的溝槽結構SiC-MOSFET元件的“全SiC”功率模塊的產品化。該產品的額定電壓為1200V，額定電流為180A，內部電路為半橋配置。與同等額定水平的Si-IGBT功率模塊產品相比，其顯著優(yōu)勢當然不必言說，即使與量產中的1200V/180A的SiC-MOSFET模塊相比，其開關損耗也大幅降低（圖7）。
圖7. 開關損耗比較
今后，ROHM計劃開發(fā)分立封裝的額定電壓650V、1200V的產品，并繼續(xù)擴充更大額定電流的產品群。
ROHM的智能功率模塊產品
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)勢的硅材質功率元器件產品的市場規(guī)模依然很大。ROHM也在致力于使用硅材質半導體的功率元器件開發(fā)。不僅不斷完善IGBT和MOSFET等分立半導體、IC的產品群，還在不斷擴充功率元件和控制IC相結合的復合型產品陣容等，積極發(fā)揮綜合半導體元器件制造商的綜合實力優(yōu)勢，使產品陣容不斷壯大。下面簡單介紹一下相關產品。
IGBT智能功率模塊（IGBT-IPM）
為降低功耗，眾多電機應用中均實現(xiàn)了設備的變頻化。這些變頻設備中廣為采用的產品是將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品（IPM：智能功率模塊）。ROHM的IGBT-IPM產品搭載自產的硅材質IGBT元器件，并已投入量產（圖8）。
圖8. ROHM的IGBT-IPM（MOS-IPM）結構
MOS智能功率模塊（MOS-IPM）
近年來，在白色家電領域，節(jié)能趨勢尤為顯著。產品傾向于采用更接近實際使用情況的能效標識APF（Annual Performance Factor），不再僅僅關注功率負載較大的設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時更節(jié)能的趨勢日益高漲。
ROHM 不僅實現(xiàn)了IGBT-IPM的量產，還開發(fā)出搭載自產的低導通電阻“PrestoMOS”、并融入獨有的IC控制技術的MOS-IPM產品，并已于2015年8月投入量產。
采用可支持大電流的PrestoMOS
一般MOSFET具有在高速開關條件下和低電流范圍內的導通損耗較低的優(yōu)勢，以及降低設備正常運轉時的功耗的效果。ROHM通過采用自產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，更大大降低導通損耗，實現(xiàn)了IPM的產品化。
采用ROHM獨有的電路技術的柵極驅動器IC
ROHM通過采用獨有的柵極驅動電路，進一步實現(xiàn)了IPM產品的高效化。例如，通過導入可防止高電壓條件下高速開關動作容易產生的MOSFET誤動作的電路，實現(xiàn)高速開關動作，以降低開關損耗。另外，考慮到開關時產生的噪音，優(yōu)化了開關損耗和噪音的平衡關系，從而實現(xiàn)了可最大限度充分發(fā)揮PrestoMOS性能的柵極驅動。
由于具備這些特點，在低電流工作條件下，ROHM生產的MOS-IPM產品與IGBT-IPM產品相比，損耗大幅降低。通過業(yè)界頂級的低功耗，為整個應用的進一步節(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)實際應用的SiC功率元器件領域，進一步推進技術革新。另外，在硅材質半導體領域，也將不斷完善產品陣容，同時，積極拓展包括控制IC在內的復合型產品群。
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)。
