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25倍产能提升,罗姆开启十年SiC扩张之路

2023-02-23 14:23:57 邵乐峰 阅读:
在过去的两三年里,晶圆供应短缺一直是制约SiC产业发展的重大瓶颈之一。面对不断增长的市场需求,包括晶圆厂在内的众多重量级玩家已经意识到必须扩大投资,以支持供应链建设,而以罗姆(ROHM)为代表的日系厂商就是SiC市场的一支重要力量。 

碳化硅(SiC)作为半导体材料具有优异的性能,尤其是用于功率转换和控制的功率元器件。但SiC在天然环境下非常罕见,最早是人们在太阳系刚诞生的46亿年前的陨石中发现了少量这种物质,所以其又被称为“经历46亿年时光之旅的半导体材料”。97wednc

Yole预计,未来5年内,将有数十亿美元投资于晶体和晶圆制造以及设备加工,SiC功率器件将很快占据整个功率器件市场的30%。到2027年,其市场潜力将达到60亿美元,高于2021年的约10亿美元。97wednc

但在过去的两三年里,晶圆供应短缺一直是制约SiC产业发展的重大瓶颈之一。面对不断增长的市场需求,包括晶圆厂在内的众多重量级玩家已经意识到必须扩大投资,以支持供应链建设,而以罗姆(ROHM)为代表的日系厂商就是SiC市场的一支重要力量。 97wednc

10年,25倍产能提升

罗姆公司从2000年就开始进行SiC MOSFET的基础研究,并在2009年收购德国SiC晶圆材料厂商SiCrystal,从而拥有了从晶棒生产、晶圆工艺到封装组装的完全垂直整合的制造工艺。其里程碑事件包括2010年全球首发SiC SBD(肖特基二极管)/MOS并实现量产、2012年全SiC模块量产、2015年沟槽型SiC MOS量产、2017年6英寸SiC SBD量产、以及在2021年发布了第4代沟槽SiC MOSFET,并有望在今年实现8英寸SiC衬底的量产和明年推出全SiC牵引功率模块。97wednc

在中国国内,罗姆近两年内也与大量客户展开了合作,包括2020年与纬湃科技、臻驱科技合作开发碳化硅电源解决方案;2021年与吉利签署了战略合作协议,与正海集团成立碳化硅功率模块合资公司海姆希科;2022年,Lucid公司OBC应用了罗姆的SiC MOSFET。同年,罗姆的SiC MOSFET也通过了赛米控公司的认证,应用在其eMPack®模块中。97wednc

市场调研机构的相关数据显示,2013年罗姆在全球SiC市场的份额为12%,到2018年已增长至23%。面对市场对SiC产品急速增长的需求,罗姆制定了积极的产能扩张计划,准备在2021-2025年为SiC业务投入1700-2200亿日元,这一计划的实现将依托于罗姆位于宫崎的两个基地和筑后工厂新厂房的投入使用。相比2021年,预计2025年SiC产能将提升6倍,到2030年提升25倍。97wednc

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SiC最初的应用场景主要集中在光伏储能逆变器、数据中心服务器UPS电源和智能电网充电站等需要转换效率较高的领域。但人们很快发现,碳化硅的电气(更低阻抗/更高频率)、机械(更小尺寸)和热性质(更高温度的运行)也非常适合制造很多大功率汽车电子器件,例如车载充电器、降压转换器和主驱逆变器。尤其是部分汽车厂商采用了SiC器件之后,使xEV汽车市场很快成为SiC市场兴奋的源泉。97wednc


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下图展示了功率半导体器件的使用场景。如果以开关频率作为横坐标,输出功率或电压作为纵坐标,那么SiC-MOSFET的应用主要集中在相对高频高压的区域,Si-IGBT/Si-MOSFET/GaN HEMT则分别对应高压低频、高频低压和超高频低压应用。97wednc

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功率半导体器件使用场景总结97wednc

据罗姆半导体(上海)有限公司技术中心副总经理周劲的介绍,该公司2021年推出的第4代SiC器件的导通电阻(RonA)较第3代下降了40%,预计2025年和2028年节点推出的第5代和第6代产品还将再降30%。另外,罗姆在今年将实现从6英寸升级到8英寸衬底的量产,并且通过技术提高单个元件尺寸,从目前主流的25平方毫米到2024年实现50平方毫米以支持更高电流输出的需求。97wednc

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第4代SiC功率器件

总体来说,相较于第3代,罗姆第4代SiC功率器件在低损耗、使用简单、高可靠性上表现突出。例如导通阻抗从30毫欧降低至18毫欧,降幅达到40%,改善了开关特性,提高了效率,减少了发热和误开通;8-15V的栅极驱动电压可以与IGBT等广泛应用的栅极驱动电路通用;750V耐压可简化电路设计;通过减小饱和电流去优化标准导通阻抗和短路耐受时间这两个参数的折中,以提高可靠性。97wednc

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  • 低损耗

RonA的改善,可在同等芯片尺寸的条件下实现约40-57%ON阻抗的减小,使导通损耗得以降低。热探头拍摄的照片显示了这一特性,如图所示,第3代产品的实际应用温度达到了92度,更换为第4代产品后,只有71度。97wednc

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此外,开关特性也得以大幅提升。对比数据显示,导通阻抗大致等同的器件的条件下,开关损耗有66%的降低。能够实现高驱动频率,为外围器件及散热器的小型化做出了贡献。同时,Crss/Ciss的容量比的改善抑制了自关断,栅极和源极间电容值的降低有助于实现高速开关动作。97wednc

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这意味着,在将第3代换为第4代产品的过程中,如果重视导通损耗,就大幅度降低导通阻抗,如前文所述,导通阻抗会降低40%;如果重视开关损耗,就使用同等的25度额定电流产品。与同类产品相比,全负载/1000-5000W范围内,罗姆的产品有效率上的提升。而在高频率开关条件(100KHz)下的Boost-Inverter应用电路中,得益于第4代产品具备更好的高速开关特性,使得产品开关损耗小,同样实现了全负载范围内的高效率。97wednc

*以上测试数据来自5kW DCDC转换器试验机,谨供参考。97wednc

  • 使用简便

所谓的使用简便,第一个就是栅极驱动电压为8-15V,使得与IGBT等共用栅极驱动电路成为可能。下图左侧,第3代产品在15V和18V驱动时的导通阻抗差为30%,也就是说,如果我们要用15V与IGBT通用的电压驱动,就无法实现SiC MOSFET的理想状态。但演进到第4代后,15V跟18V两种驱动电压的导通阻抗差值只有11%,可以满足一般状态下的碳化硅全负载驱动。但需要强调的是,如果处于重负载状态下,仍然还是推荐18V以上的驱动电压,能够实现最优的导通阻抗的情况。97wednc

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其次,无负压驱动可以简化电路设计,降低系统损耗。罗姆第4代SiC MOSFET门限电压较高,0V可有效关断,同时寄生电容的减小,也会抑制器件的误开启。97wednc

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第三是在内部栅极电阻阻值方面,第3代产品为7欧姆,而第4代只有1欧姆。这样,在外围调整整个开关特性时,调整裕量会增大不少,电路设计会更加灵活,更容易实现客户需求。高可靠性97wednc

尽管缩减了芯片尺寸并增大了电流密度,但由于采用了独特的器件结构,罗姆突破了RonA vs. SCWT的折中限制,实现了比同类产品更高的短路耐受时间。简单来说,就是在降低RonA的同时,饱和电流下降,短路时的峰值电流较低,成功延长了短路耐受时间。97wednc

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在实际应用中,以6000W车载充电器为例,对比IGBT、Hybrid-IGBT、SJ-MOS、SiC MOSFET四种方案可以发现,从电路效果来看,最好的是SiC MOSFET,IGBT则器件损耗较高。当然,如果从成本角度考虑,IGBT也是可以使用的,特别是在一些低负载应用的场合,SJ-MOS也有独特的应用优势。97wednc

责编:Demi
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