羅姆半導(dǎo)體近幾年在第三代寬禁帶半導(dǎo)體領(lǐng)域處于前沿，并一直深耕于研究第三代半導(dǎo)體。羅姆半導(dǎo)體(上海)有限公司中國(guó)區(qū)電源方案課高級(jí)經(jīng)理倪敏分享了碳化硅器件在新能源汽車主機(jī)逆變器上的應(yīng)用。
隨著新能源市場(chǎng)的擴(kuò)大，生產(chǎn)臺(tái)數(shù)不斷增加，中國(guó)市場(chǎng)增長(zhǎng)率比較明顯，因?yàn)榧冸妱?dòng)和插電式電動(dòng)的增長(zhǎng)性，導(dǎo)致Inverter主機(jī)的逆變器需求不斷提高。
看趨勢(shì)：主機(jī)逆變器市場(chǎng)
目前市場(chǎng)需求是減量的排放以及增加新能源汽車。增加新能源汽車客戶就需要延長(zhǎng)續(xù)航里程等等，為滿足這個(gè)需求就需要一個(gè)比較大的電池容量來(lái)提高效率，從而就產(chǎn)生逆變器的需求。逆變器的需要高效化和小型化。對(duì)廠商而言就對(duì)半導(dǎo)體產(chǎn)生了更多的需求——高效率的元器件和高頻的驅(qū)動(dòng)，以及高壓快充需要高壓快充去解決一些問(wèn)題。這也是對(duì)半導(dǎo)體提出的比較大的挑戰(zhàn)。
首先碳化硅在Inverter上的優(yōu)勢(shì)。目前主流的IGBT模塊，碳化硅也在慢慢切入。與IGBT相比，碳化硅具有比較大的優(yōu)勢(shì)，首先是反向恢復(fù)Err的損耗減少，因?yàn)镮GBT基本上都是外帶一個(gè)快恢復(fù)二極管，快恢復(fù)二極管它會(huì)較大，碳化硅是體二極管，雖然是體二極管，但基本特性和碳化硅“肖特基二極管”基本上是持平的，所以Err性能會(huì)比較好。
就關(guān)斷損耗問(wèn)題，IGBT會(huì)有個(gè)拖尾電流，碳化硅卻沒(méi)有這樣的問(wèn)題，所以損耗也會(huì)比較明顯。在這幾個(gè)前提下，可以把續(xù)航里程提高3%-8%。
在電動(dòng)汽車上，業(yè)內(nèi)都在評(píng)估碳化硅，所以對(duì)碳化硅產(chǎn)品也有一定的期待。首先是電池容量加載，還有充電時(shí)間縮短和電費(fèi)改善。使用碳化硅模塊來(lái)解決這方面的問(wèn)題，會(huì)減少損耗，同時(shí)把冷卻系統(tǒng)做一個(gè)小型化、高壓化，進(jìn)行快速充電，碳化硅具有高速開(kāi)關(guān)等等比較好的優(yōu)勢(shì)。
在技術(shù)層面，碳化硅本來(lái)就是第三代的新半導(dǎo)體，需要自身增加單位面積導(dǎo)通電阻的低電阻。此外還需攻克在芯片、短路耐受、封裝技術(shù)等問(wèn)題，同時(shí)和客戶商討研發(fā)碳化硅模塊。
關(guān)于成本，首先要提高成品率，結(jié)合新技術(shù)，并加入新晶圓加工技術(shù)以此來(lái)解決晶體缺陷的問(wèn)題。因此，羅姆半導(dǎo)體也在腳踏實(shí)地為以后的8英寸化量產(chǎn)做努力。
看戰(zhàn)略：提供羅姆方案
為此，羅姆定下了在市場(chǎng)份額達(dá)到30%的目標(biāo)。其擁有以下優(yōu)勢(shì)：
首先羅姆半導(dǎo)體擁有一體化生產(chǎn)模式，一站式完成模塊，并且可以一體化生產(chǎn)，達(dá)到較好的成本控制。
再是構(gòu)造，直接從第二代平面技術(shù)跳到第三代和第四代的溝槽技術(shù)，去解決一些長(zhǎng)期信賴性的問(wèn)題。
其三是高品質(zhì)，減少一些內(nèi)部，把比較容易出現(xiàn)問(wèn)題的，在長(zhǎng)期會(huì)有問(wèn)題的東西篩減的更精確，。
最后是高性能，RDS降低，降低VF值。
近年來(lái)，羅姆也與多家Tier1進(jìn)行了合作，成立了多家聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，ES、北汽新能源、吉利等等都是合作伙伴，目前也有近30家左右的相關(guān)客戶在測(cè)試羅姆的碳化硅產(chǎn)品。同時(shí)，羅姆對(duì)碳化硅的生產(chǎn)能力和所對(duì)應(yīng)的產(chǎn)品，進(jìn)行了產(chǎn)能的提升，對(duì)一些工廠進(jìn)行了合資，在日本阿波羅地方進(jìn)行了新建工廠，以此應(yīng)對(duì)日后可能出現(xiàn)的產(chǎn)能不足的問(wèn)題。
總之，羅姆為了占有率30%份額做了三方面的努力，首先是技術(shù)提高；第二是產(chǎn)品全面提供所有客戶；最后是產(chǎn)能不斷擴(kuò)充。
看應(yīng)用：主機(jī)逆變器實(shí)用案例
羅姆的第四代產(chǎn)品將繼續(xù)沿用之前的雙溝槽技術(shù)，進(jìn)行直接車載化的產(chǎn)品研發(fā)。并且總結(jié)第三代產(chǎn)品的缺點(diǎn)，例如驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品，第三代羅姆用18V驅(qū)動(dòng)，和15V的IGBT并不相同。第四代進(jìn)行了改變，支持客戶15V-18V驅(qū)動(dòng)。
此外，還進(jìn)行了開(kāi)關(guān)損耗測(cè)試，第四代和第三代相比，損耗降低了很多，使得整體效率提高。
羅姆在主機(jī)利潤(rùn)期的應(yīng)用方案，主要是推廣以碳化硅產(chǎn)品為首做模塊，或者是給模塊廠商去封裝模塊推廣，并結(jié)合一些產(chǎn)品，如電阻。因?yàn)榱_姆是電阻起家的，所以有電阻、三極管、DC-DC、LDO等產(chǎn)品，在整個(gè)方案體系中都可以與客戶進(jìn)行整體化的推廣。如逆變器會(huì)和碳化硅產(chǎn)品一起去的向客戶做推廣，在周邊器件這邊可以和客戶一起探討如何制造更可靠、高壓、低損耗的產(chǎn)品，給客戶比較豐富的產(chǎn)品線。
羅姆目前推廣了電路、PNP管、三級(jí)管等產(chǎn)品。首先帶給客戶一些復(fù)合型的功能會(huì)，進(jìn)行比較強(qiáng)大的應(yīng)用。此外，羅姆的封裝也會(huì)比較全，像89封裝，小封裝大電流的產(chǎn)品也會(huì)有，一些電阻肖特基二極管的方案，只要客戶表達(dá)想要的需求，羅姆可以給客戶一個(gè)完整、便捷的方案。
看關(guān)鍵：SIC功率器件應(yīng)用中的Crosstalk
碳化硅在實(shí)際應(yīng)用中，主要有串?dāng)_問(wèn)題，串?dāng)_問(wèn)題會(huì)在半橋或者全橋中出現(xiàn)，以下管開(kāi)關(guān)側(cè)為案例，上管是以回流側(cè)為案例做說(shuō)明。
首先就是負(fù)壓?jiǎn)栴}，其實(shí)也是一個(gè)行業(yè)問(wèn)題，負(fù)壓?jiǎn)栴}是比較窄。雖然窄也可以使用，但是若要追去精細(xì)，則需要設(shè)計(jì)者克服一些問(wèn)題去用，現(xiàn)在的負(fù)壓?jiǎn)栴}，都是在-4V或者-6V，而且包括尖峰電壓的趨勢(shì)。IGBT肯定都是正20V，所以基本上負(fù)壓?jiǎn)栴}就不在IGBT的討論范圍之內(nèi)。
對(duì)于負(fù)壓?jiǎn)栴}需要探討一些串?dāng)_問(wèn)題，在開(kāi)關(guān)側(cè)on的情況下，它對(duì)側(cè)上管就會(huì)有一個(gè)上沖擊尖峰，這個(gè)時(shí)候求引起一個(gè)上下管導(dǎo)通。在off的時(shí)候也會(huì)有一個(gè)串?dāng)_，但是它是一個(gè)向下的串?dāng)_，向下的串?dāng)_就會(huì)超過(guò)一些負(fù)壓?jiǎn)栴}，則必須要研究探討。
具體的模符管為會(huì)有串?dāng)_，如以247封裝為例，首先在247封裝里面內(nèi)部有一個(gè)元級(jí)的雜感，P角一是有雜感，這里簡(jiǎn)稱為trace雜感和source雜感并聯(lián)，再去抓波形時(shí)，摻入一個(gè)探頭，它的雜感就會(huì)在下面產(chǎn)生一個(gè)電壓?jiǎn)栴}。
首先在開(kāi)關(guān)側(cè)進(jìn)行on，在on的情況下，這邊的電流就通過(guò)下管的電流會(huì)增大，通過(guò)上管的電流之后，上管的處于off的狀態(tài)，off走的是二級(jí)管理，二級(jí)管還會(huì)再走，電流的方向就是看一下紅線的回流側(cè)?；亓鱾?cè)這樣走之后，它就是慢慢降低的情況下，這樣的情況下阻礙降低，它的電流也要跟電流是一樣的，所以它就形成感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的正極是上，就是source極上面是正極，下面是負(fù)極，同樣，下面P角上也會(huì)有雜感，它也是上面是正，下面是負(fù)。
它在on的時(shí)候，電壓開(kāi)始提高了，由電壓的DVDT引起了上管的串?dāng)_問(wèn)題，所以上管是DVDT引起的，首先是電流變化，接下來(lái)就是電壓變化，在上管形成電壓變化，它會(huì)急速上升電壓，就會(huì)有一個(gè)電流流過(guò)去，通過(guò)米勒平臺(tái)CRIC進(jìn)行充電，然后形成藍(lán)色的回路進(jìn)行充電。也就是DVDT越小，它的電流也就越小，電流越小電壓也會(huì)浮動(dòng)越小。所以對(duì)于這些也可以侵略一些措施，加一些米勒MOS管去前置它。
接下來(lái)就是off的狀態(tài)，off也會(huì)出現(xiàn)這樣一個(gè)問(wèn)題，剛才on的時(shí)候是沖完電了，off的時(shí)候一開(kāi)始就是進(jìn)行放電，進(jìn)行放電之后也會(huì)有一個(gè)回路進(jìn)行放電，它的充電回路是相反的，所以這里是正壓，這里是負(fù)壓，這里就會(huì)出現(xiàn)負(fù)壓，這個(gè)負(fù)壓?jiǎn)栴}也是羅姆需要克服的，不能超過(guò)負(fù)值。
電壓變化好之后就因?yàn)榱穗娏?，電流增大之后，有一個(gè)自感，因?yàn)樗窃趏ff的階段，它下管電流是慢慢減小的，因?yàn)樗M(jìn)行了回流，回流之后對(duì)于二級(jí)管來(lái)說(shuō)，它的電流是慢慢增大的，增大之后要阻礙電流增大，它就要形成自感，自感下邊是正壓，上面是負(fù)壓。
從理論知識(shí)可以看到，理論知識(shí)與器件產(chǎn)品的一些的具體特性有關(guān)系，在特性不變的條件下，可以通過(guò)外部的電路或者采取一些比較好的L進(jìn)行改善，這也是羅姆能夠做到的，所以羅姆愿意跟客戶探討這一研究方向。
按照這樣一個(gè)方向，推薦客戶用一個(gè)米勒MOS管做一個(gè)前衛(wèi)。負(fù)壓推薦肖特基二極管，在GS上面采用肖特基二極管前位住一個(gè)負(fù)壓，達(dá)到比較好的效果。
剛才強(qiáng)調(diào)開(kāi)關(guān)側(cè)跟回流側(cè)的一些具體方案，例如在什么時(shí)候用哪些去做，例如在負(fù)壓在尖峰電壓的情況下，可以通過(guò)一些二、三級(jí)管解決，或者是通過(guò)米勒MOS管解決。
關(guān)斷的應(yīng)用解決方案，與客戶強(qiáng)調(diào)比較多的還是米勒MOS管和肖特基二極管，能夠解決正壓和負(fù)壓的問(wèn)題，最好是外置的米勒MOS管。
這個(gè)也是剛才所說(shuō)的實(shí)際案例的擴(kuò)充，這個(gè)也是運(yùn)用羅姆去做一些產(chǎn)品和推廣，給客戶的一些實(shí)際案例的回饋，給客戶做一些仿真。同樣羅姆也會(huì)做一些仿真，跟客戶做一些對(duì)比、評(píng)判等等情況，所以這個(gè)也是可以做到的。
首先羅姆進(jìn)行實(shí)測(cè)，加一些前置的肖特基二極管，或者肖特基二極管加好之后做一些前位的MOS管做的實(shí)測(cè)案例也用簡(jiǎn)單的雙脈沖去看了一下情況，效果還是比較明顯的。像A沒(méi)有抑制的情況下，可以看到它的GS上升也會(huì)比較大一點(diǎn)，這邊電流的峰值也會(huì)比較大，在這個(gè)峰值跟它的對(duì)比情況下斷定已經(jīng)產(chǎn)生了誤操作，解決上下管導(dǎo)通的情況?；旧仙舷鹿艿綄?dǎo)通的話，要看波形來(lái)定義，不是單單超過(guò)VGS、VTH值就一定會(huì)上下管導(dǎo)通，這也是不可取的現(xiàn)象。例如標(biāo)3V的VTH值，其實(shí)不是超過(guò)30V一定會(huì)發(fā)生上下管導(dǎo)通，只是增加了一個(gè)風(fēng)險(xiǎn)。
是不是上下管導(dǎo)通，具體來(lái)還要看一下電流的波形，可以看到電流峰值的波形，可以看這時(shí)候已經(jīng)進(jìn)行了上下管導(dǎo)通的情況，加一些MOS管或者肖特基二極管的話，可以做到比較好的前位，尤其是負(fù)壓這邊也會(huì)做一個(gè)比較好的前位，所以這個(gè)肖特基二極管的效果也是比較明顯的。
羅姆從目前半導(dǎo)體發(fā)展趨勢(shì)出發(fā)，分析了其目標(biāo)戰(zhàn)略，實(shí)際應(yīng)用與關(guān)鍵技術(shù)攻克的情況。倪敏表示，羅姆將主動(dòng)的給客戶更好的服務(wù)，更好的態(tài)度面對(duì)第三代產(chǎn)品，并主推第四代碳化硅的產(chǎn)品。
