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罗姆半导体推SiC解决方案 具备高耐压、低导通阻抗与绝佳的开关特性

  • 陈毅斌
罗姆半导体台湾设计中心金浩玮(图右)、罗姆半导体应用技术支持部主任工程师唐仲亨(图左)说,SiC材料拥有耐高温、耐高压、效率高等三大优势,所以可制作能支持600V至数千V的高耐压功率元件,加上每单位面积的导通电阻非常低,可实现高耐压元件的要求。

在价格低廉、取得方便下,过去Si(矽)向来是制作功率元件的首选。然而在各种高功率、大电流设备不断问世下,加上为迎合节能环保的市场需求,反而带动以SiC(碳化硅)功率元件取代Si的风潮,如采用500W电源供应器以上的服务器、专业型商用计算机等等。个中关键在于SiC绝缘破坏电场强度为Si的10倍、能隙为Si的3倍,因此非常适合用于制作高功率、高耐压之元件。

罗姆半导体应用技术支持部主任工程师唐仲亨说,若从功率元件所具备的特征来看,SiC材料相较于Si,拥有高耐压、低导通阻抗与绝佳的开关特性等三大优势,可制作600V至数千V的高耐压功率元件,加上每单位面积的导通阻抗非常低,正好能实现高耐压元件的要求。其次,SiC受惠于前述三大特性,制作相同导通电阻之芯片相较于Si功率元件能够大幅缩减面积,以目前通用的封装空间来看使用SiC材料能够容纳更高密度的芯片,因此相对能减少设备耗电量,符合时下对环保节能的需求,应用上更能够满足空调、电源、太阳电池电源调节器、电动车急速充电器等需求。

罗姆半导体台湾设计中心金浩玮说,产品改用SiC功率元件的最大好处之一,即是能源转换效率将大幅提高,产品更加容易取得节能法规之认证。目前多家仪器设备商之新产开发品中将采用ROHM SiC功率元件,显见其优点确实受到开发人员认同,预计2018年会有相关产品问世。

SiC MOSFET取代IGBT,可提高能源使用效率

为因应市场应用面的需求,拥有SiC材料与制程技术的罗姆半导体,目前共有SiC-Schottky Diode(萧特基二极管)、SiC-MOSFET(场效应晶体管)、SiC功率模块等三大产品线。传统Si的FRD(快速回复二极管)从顺向偏压切换至逆向截止时,往往因为大量的逆向回复电流导致发生极大的回复损失。而现今改用SiC萧特基二极管后,不仅可实现650V以上的高耐压性,搭配主流之高速MOSFET后,可大幅降低回复损失的问题。全新问世的罗姆半导体第三代SiC方案,能够进一步确保功率元件拥有耐高温、更低的顺向损失、更高的抗冲击电流能力与高信赖性等特性,适用于并联使用之设计方便开发人员进行线路与成本优化。

使用Si材料制作高耐压的功率元件时,考量到每单位面积的导通电阻变高,所以600V以上电压都会使用IGBT(绝缘闸双极晶体管)。然而IGBT因为传导度调变,藉由注入少数载子之电洞于漂移层内,因此元件截止时会产生尾电流(tail current)造成极大的切换损失。相较之下,由于SiC-MOSFET为单载子元件,完全不需使用传导度调变技术,因此使用具备低导通阻抗与良好截止特性之SiC-MOSFET可以大幅降低导通与切换损失。

唐仲亨指出,SiC-MOSFET在原理上不会产生尾电流,因此用其取代IGBT时,可实现开关损失的大幅削减与散热器的小型化。由于IGBT无法适用于高频率驱动,选用SiC-MOSFET对被动元件的小型化有所贡献。正因前述种种特性,从2017年开始已有许多客户改用罗姆半导体的SiC-MOSFET进行研发,预计2018年可以看到相关产品出现在市场上。

完整技术支持,协助客户快速上手

为满足大功率模块的设计需求,罗姆半导体也开始贩售搭载SiC-MOSFET与SiC萧特基二极管的功率模块,可大幅降低回复电流所引起的开关损失,同时简化开发人员的工作负担。而在电源效率改善之后,受惠于功率元件的温度较低,商品本身可使用简易型或小型化散热器,或改用水冷/强制气冷的自然气冷化机制,达到缩小产品体积的目的。此外,开发人员亦可藉由将切换频率高频化,得到电感与电容器等产品外围零件的小型化等效果,让产品获得更佳的能源使用效率。

唐仲亨指出,为协助开发人员快速熟悉SiC萧特基二极管、SiC-MOSFET、SiC功率模块等特性,缩短应用于产品专案之中的时间,我们在提供技术支持之外,也同步推出evaluation board可用于产品功能验证之中。另外,罗姆半导体也预计在2019年Q2推出第四代SiC-MOSFET解决方案,具备低导通阻抗、高耐电压与闸极电压优化等特性,绝对是开发人员打造新世代产品的最佳选择。

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