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羅姆半導體推SiC解決方案 具備高耐壓、低導通阻抗與絕佳的開關特性

  • 陳毅斌
羅姆半導體台灣設計中心金浩瑋(圖右)、羅姆半導體應用技術支援部主任工程師唐仲亨(圖左)說,SiC材料擁有耐高溫、耐高壓、效率高等三大優勢,所以可製作能支援600V至數千V的高耐壓功率元件,加上每單位面積的導通電阻非常低,可實現高耐壓元件的要求。

在價格低廉、取得方便下,過去Si(矽)向來是製作功率元件的首選。然而在各種高功率、大電流設備不斷問世下,加上為迎合節能環保的市場需求,反而帶動以SiC(碳化矽)功率元件取代Si的風潮,如採用500W電源供應器以上的伺服器、專業型商用電腦等等。箇中關鍵在於SiC絕緣破壞電場強度為Si的10倍、能隙為Si的3倍,因此非常適合用於製作高功率、高耐壓之元件。

羅姆半導體應用技術支援部主任工程師唐仲亨說,若從功率元件所具備的特徵來看,SiC材料相較於Si,擁有高耐壓、低導通阻抗與絕佳的開關特性等三大優勢,可製作600V至數千V的高耐壓功率元件,加上每單位面積的導通阻抗非常低,正好能實現高耐壓元件的要求。其次,SiC受惠於前述三大特性,製作相同導通電阻之晶片相較於Si功率元件能夠大幅縮減面積,以目前通用的封裝空間來看使用SiC材料能夠容納更高密度的晶片,因此相對能減少設備耗電量,符合時下對環保節能的需求,應用上更能夠滿足空調、電源、太陽電池電源調節器、電動車急速充電器等需求。

羅姆半導體台灣設計中心金浩瑋說,產品改用SiC功率元件的最大好處之一,即是能源轉換效率將大幅提高,產品更加容易取得節能法規之認證。目前多家儀器設備商之新產開發品中將採用ROHM SiC功率元件,顯見其優點確實受到開發人員認同,預計2018年會有相關產品問世。

SiC MOSFET取代IGBT,可提高能源使用效率

為因應市場應用面的需求,擁有SiC材料與製程技術的羅姆半導體,目前共有SiC-Schottky Diode(蕭特基二極體)、SiC-MOSFET(場效應電晶體)、SiC功率模組等三大產品線。傳統Si的FRD(快速回復二極體)從順向偏壓切換至逆向截止時,往往因為大量的逆向回復電流導致發生極大的回復損失。而現今改用SiC蕭特基二極體後,不僅可實現650V以上的高耐壓性,搭配主流之高速MOSFET後,可大幅降低回復損失的問題。全新問世的羅姆半導體第三代SiC方案,能夠進一步確保功率元件擁有耐高溫、更低的順向損失、更高的抗衝擊電流能力與高信賴性等特性,適用於並聯使用之設計方便開發人員進行線路與成本優化。

使用Si材料製作高耐壓的功率元件時,考量到每單位面積的導通電阻變高,所以600V以上電壓都會使用IGBT(絕緣閘雙極電晶體)。然而IGBT因為傳導度調變,藉由注入少數載子之電洞於漂移層內,因此元件截止時會產生尾電流(tail current)造成極大的切換損失。相較之下,由於SiC-MOSFET為單載子元件,完全不需使用傳導度調變技術,因此使用具備低導通阻抗與良好截止特性之SiC-MOSFET可以大幅降低導通與切換損失。

唐仲亨指出,SiC-MOSFET在原理上不會產生尾電流,因此用其取代IGBT時,可實現開關損失的大幅削減與散熱器的小型化。由於IGBT無法適用於高頻率驅動,選用SiC-MOSFET對被動元件的小型化有所貢獻。正因前述種種特性,從2017年開始已有許多客戶改用羅姆半導體的SiC-MOSFET進行研發,預計2018年可以看到相關產品出現在市場上。

完整技術支援,協助客戶快速上手

為滿足大功率模組的設計需求,羅姆半導體也開始販售搭載SiC-MOSFET與SiC蕭特基二極體的功率模組,可大幅降低回復電流所引起的開關損失,同時簡化開發人員的工作負擔。而在電源效率改善之後,受惠於功率元件的溫度較低,商品本身可使用簡易型或小型化散熱器,或改用水冷/強制氣冷的自然氣冷化機制,達到縮小產品體積的目的。此外,開發人員亦可藉由將切換頻率高頻化,得到電感與電容器等產品週邊零件的小型化等效果,讓產品獲得更佳的能源使用效率。

唐仲亨指出,為協助開發人員快速熟悉SiC蕭特基二極體、SiC-MOSFET、SiC功率模組等特性,縮短應用於產品專案之中的時間,我們在提供技術支援之外,也同步推出evaluation board可用於產品功能驗證之中。另外,羅姆半導體也預計在2019年Q2推出第四代SiC-MOSFET解決方案,具備低導通阻抗、高耐電壓與閘極電壓優化等特性,絕對是開發人員打造新世代產品的最佳選擇。

[羅姆半導體應用技術支援部主任工程師唐仲亨先生,即將於8/9舉辦的2018電源技術開發應用論壇中發表更多關於SiC解決方案的相關細節,活動完全免費,名額有限,歡迎立即報名參加 : http://www.digitimes.com.tw/seminar/DForum_20180809/。]