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罗姆持续发力碳化硅 第4代产品优势突出

关键词:罗姆电动汽车 碳化硅电源SiC功率元器件

时间:2023-02-22 10:15:32      来源:中电网

据Yole预测,2025年全球碳化硅功率半导体市场规模将达到25.62亿美元,2019年到2025年均复合增长率超过30%。巨大的市场空间,为功率半导体厂商代来了全新的发展机遇。近年各大厂商都纷纷投入碳化硅扩产。而罗姆早在2000年就投入了碳化硅的研发,如今已成为引领该领域的佼佼者。近日在罗姆媒体发布会上,罗姆半导体(上海)有限公司技术中心副总经理周劲先生对该公司的第4代 SiC MOSFET以及罗姆在碳化硅上的投资进行了分享。

据Yole预测,2025年全球碳化硅功率半导体市场规模将达到25.62亿美元,2019年到2025年均复合增长率超过30%。巨大的市场空间,为功率半导体厂商代来了全新的发展机遇。近年各大厂商都纷纷投入碳化硅扩产。而罗姆早在2000年就投入了碳化硅的研发,如今已成为引领该领域的佼佼者。近日在罗姆媒体发布会上,罗姆半导体(上海)有限公司技术中心副总经理周劲先生对该公司的第4代 SiC MOSFET以及罗姆在碳化硅上的投资进行了分享。

作为最早一批将SiC功率元器件量产化的厂商之一,罗姆自2000年就有所行动,终于在2010年全球首家碳化硅SBD和MOSFET开始量产,之后在2021年发布了第4代的沟槽SiC MOSFET,2023年实现8英寸碳化硅衬底的量产。二十多年来,无论从技术上还是尺寸上罗姆都作到了大步的跨越。未来第5代、第6代产品已在计划中。

罗姆始终将产品质量放在第一位,了解该公司的人都知道,他们一直在执行垂直统合型的生产体制,包括碳化硅。产业链覆盖整个碳化硅加工过程和各种产品形式,从材料衬底到晶圆、元器件、裸芯片,再到分立产品和封装。 在2009年,罗姆通过把全球排名前列的碳化硅衬底供应商SiCrystal纳入集团旗下。至此,完成其碳化硅垂直统合型的生产体制。据介绍该公司晶圆是在集团旗下德国SiCrystal公司完成,器件的生产是集中在日本福冈(Fukuoka)和宫崎(Miyazaki),封装后续分布在全球,主要是京都本土、韩国或者泰国等等封装工厂。

提升产能计划应对市场需求

谈到罗姆的碳化硅市场,周劲表示,主要来源是电动汽车方面,包括OBC、DCDC、主驱动器包括燃料电池相关的一些电气设备。另外一方面来源于工业,工业机器大型电机、感应加热器、高频加热器、电池检验设备等等。仅以上两个领域碳化硅业务就占全部的60%-70%左右。另外太阳能、新能源方面,蓄电池、UPS以及服务器、基站包括通信业务的展开也是罗姆着力推广的一个新方向。

面对市场急剧增长的需求,该公司制定了大幅度提升产能的计划,相比2021年,预计2025年产能提升6倍,到2030年提升25倍。为保障产能,罗姆的两个生产基地,宫崎、阿波罗筑后工厂的新厂房也都投入了使用。

先进的碳化硅半导体器件路线

罗姆现在量产的为2021年发布的第4代碳化硅,通过业内先进的低导通电阻技术,根据元件的设计,沟槽的结构强化,导通电阻(RonA),可实现相较于第3代下降40%,预计2025年、2028年分别再降30%,并且实现第5代、第6代产品的量产。另外在晶圆的尺寸上,2017年罗姆全面进入6英寸的碳化硅晶圆时代,到2023将实现8英寸衬底的量产。另外通过罗姆优良的技术能够实现单个元件尺寸的增加,目前的主流从2015年开始为25平方毫米最大的规格,到2024年罗姆会实现50平方毫米的产品,可以支持更高电流输出的需求。

罗姆第4代碳化硅优势

第4代碳化硅具备低损耗、使用简单、高可靠性等优势,周劲分别对此做了详细的解读。

首先在低损耗方面,相比自家第3代产品实现了40%的降低。其原因是将标准导通阻抗降低了。同时也改善了开关特性,当导通阻抗降低之后,在同样电流、同样导通阻抗情况下,芯片的尺寸会降低,带来的好处是寄生的电容会被降低,可实现高速的开关特性。从而抑制MOSFET器件的自开通、误开通。明显减少了寄生电容Cgd,同样能够保证芯片更高速的开启和关断,降低开关损耗,实现高驱动频率,为外围器件和散热器的小型化做出贡献。

第4代产品,满足不同客户的需求。对于重视导通损耗的,罗姆可采取大幅度降低导通阻抗,如第3代升级第4代后,30毫欧变为18毫欧,导通阻抗降低40%;另外对于重视开关损耗的,可通过斜率来抑制损耗,可选用小片的等同额定电流的产品,能够明显的降低开关损耗的参数。

在使用简单方面,其一是栅极的电压会推进8-15V,可以与IGBT等目前广泛应用的栅极驱动电路等同使用。能够实现这样一个低驱动的电压原因是第4代,15V与18V两种驱动电压的导通阻抗只有11%的差,在15V的情况下就可以满足一般状态的碳化硅全负载驱动,而在重负载的状态下罗姆仍然推荐18V以上的驱动电压,方可实现最优的导通阻抗。

其二是负Bias的设计,罗姆并不推荐有些客户为了确保SiC MOSFET的关断而设计成负电压关断,这是因为,罗姆的产品Vth会比较高,0V即使有所飘移也能够可靠的关断,无需负Bias。其高速开关的特性带来的好处是寄生电容的减小,同时抑制自开启、自导通的风险。

同时,无负压驱动还可以简化电路设计。见下图,在负Bias电源设计的案例中,红框内变压器会多出一个绕组,整个变压器的特性密封都会有一些恶化的趋势,而在无负Bias电源的设计中,电路简单,同时成本也得到降低,节省了绕组,简化的变压器的设计,使得多输出的栅极驱动器电源设计更方便。

其三是内部栅极电阻阻值的降低,好处是使得外部栅极电阻的调整更灵活。相比上一代7欧姆的参考值,第4代产品还要降低1欧姆。换句话说,在外围调整整个开关特性,调整量会变得很大,电路设计会更加灵活,更容易实现客户需求。在芯片同一个栅极电阻阻值的状态下,开关损耗也会比同类产品更小,从而提升开关速度,以及开关损耗的减少。以罗姆750V耐压产品对于同类650V耐压产品,应对VDS Surge设计更容易,有利吸收电路的简化。

高可靠性方面,罗姆采用独特的器件结构,减少饱和电流,突破了RonA(导通电阻)与短路耐量的折中限制,实现比同类产品更高的短路耐受时间。通常在降低RonA后,一般饱和电流会上升,短路时的峰值电流也会上升,短路耐量时间变短。而罗姆第4代产品在降低RonA的同时,饱和电流会下降,短路时的峰值电流较低,成功延长短路耐受时间。

利用以上优势,罗姆的第4代产品可助力减少车载充电器的轻量化、改善光伏逆变器的发电量、服务器电源的节能等等。

第4代代表产品漏源极电压为750V和1200V两类产品,采用主流封装,TO-247-3L、TO-247-4L以及TO-263-7L。周劲介绍,罗姆未来会延续出更多市场上客户需求,其他的贴片封装也在考虑中。

他介绍,罗姆的技术支持会在客户开发的全流程中保驾护航。比如技术研讨会、为客户电路板提供解决方案以及基础的应用知识,Spice模型,包括应用笔记、在线仿真,以及进行PCB设计的支持,PCB在辐射方面的考量等等,罗姆提供了众多的参考资料。

另外发布会上罗姆半导体(上海)有限公司 市场宣传课高级经理张嘉煜先生对本集团上半年财务做了分享。2022年上半财年罗姆集团销售额为2600亿日元左右,折合约130亿人民币。营业利润为504亿日元,纯利润521亿日元。值得庆祝的是这些比当初计划的都有所提高。销售额比预期提高了16.7%,营业利润提高了46%。这些增长主要来源于汽车、工业设备以及计算机和储存设备领域,以上都有20%以上的增长。论地区,中国也有21.6%的增长。张嘉煜也表示,为满足市场需求,罗姆正在不断地进行设备投资,特别是在碳化硅方面,预计在2021-2025将投入1700-2200亿日元。

碳化硅市场正处于高速成长期,各大厂商均在加大扩产力度,不断强化自身在该领域的竞争优势,罗姆可以称为碳化硅的先驱者,加其垂直统合型的生产体制和不断投入的决心,正在引领行业实现更具创新性的节能和小型化,更高质量的产品来解决社会课题。

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