碳化硅助力電動汽車續航和成本的全方位優化

受訪人：水原德健  羅姆半導體（北京）有限公司技術中心總經理

1.氮化鎵和碳化硅同屬第三代半導體，在材料特性上有什么相似之處和不同之處？根據其不同的特性，分別適用在哪些應用領域？貴公司目前在SiC和GaN兩種材料的半導體器件方面都有哪些主要的產品？

　　目前，市場上基本按下圖劃分幾種材料功率半導體器件的應用場景。當低頻、高壓的情況下適用硅基IGBT，如果稍稍高頻但是電壓不是很高，功率不是很高的情況下，使用硅基MOSFET。如果既是高頻又是高壓的情況下，適用碳化硅MOSFET。那么電壓不需要很大，功率不需要很大，但是頻率需要很高，這種情況下適用氮化鎵。

　　雖然碳化硅材料具有比硅更好的特性，但并非可以完全取代硅。作為廣泛的半導體材料，硅仍然具有不可替代的應用領域。目前來看，基于碳化硅材料的功率半導體適合應用于高頻高功率高工作電壓的應用場合。

　　作為碳化硅元器件的領軍企業之一，羅姆一直致力于先進產品的開發，早在2010年便于業界首次量產SiC MOSFET。在車載領域，羅姆于2012年推出了支持AEC-Q101認證的車載品，并在車載充電器（OBC）領域擁有很高的市場份額。此外，羅姆碳化硅產品還應用于車載DC/DC轉換器等領域。2020年6月，羅姆發布了業界先進的第4代低導通阻抗SiC MOSFET。與以往產品相比，在不犧牲短路耐受時間的前提下，成功實現業界較高水平的低導通電阻。此產品非常適用于包括主機逆變器在內的車載動力總成系統和工業設備的電源。業界預計2023年開始碳化硅在主機逆變器上的應用需求會增加，現在是重要的時間窗口，羅姆第4代SiC MOSFET已經獲得很多廠商的評估和詢價。

　　氮化鎵目前有效耐壓通常可以做到650V，實際上氮化鎵有一個明顯的特性，同樣是高頻率，200k以上，工作頻率比碳化硅會有較大提升，在汽車或服務器電源領域等要求體積小、效率高的應用場合下會有比較大的優勢。氮化鎵作為碳化硅功率元器件的補充產品，未來有望得到進一步普及，氮化鎵的高頻特性將促使其在低耐壓領域有廣泛地應用。

　　羅姆一直在大力推動業內先進的碳化硅元器件和各種具有優勢的硅元器件的開發與量產，同時，一直致力于在中等耐壓范圍具有出色的高頻工作性能的氮化鎵器件的開發，旨在為各種應用提供更廣泛的電源解決方案。并且，羅姆將有助于節能和小型化的氮化鎵器件產品陣容命名為“EcoGaN?”，并一直致力于進一步提高器件的性能。今后，羅姆將繼續開發融入了“Nano Pulse Control?”等模擬電源技術的控制IC及其模塊，通過提供能夠更大程度地發揮氮化鎵器件性能的電源解決方案，為實現可持續發展社會貢獻力量。

2.功率器件是第三代半導體的重要應用領域之一，您認為，相比于傳統功率半導體器件，第三代半導體在功率器件應用方面有哪些技術上的優勢，又能帶來哪些技術指標方面的突破和新應用的涌現？

　　與傳統的硅器件相比，碳化硅（SiC）器件由于擁有低導通電阻特性以及出色的耐高溫、高頻和耐高壓性能，已經成為下一代低損耗半導體可行的候選器件。此外，SiC讓設計人員能夠減少元器件的使用，從而進一步降低了設計的復雜程度。SiC元器件的低導通電阻特性有助于顯著降低設備的能耗，從而有助于設計出能夠減少CO2排放量的環保型產品和系統。羅姆在SiC功率元器件和模塊的開發領域處于先進地位，這些器件和模塊在許多行業的應用中都實現了更佳的節能效果。

　　羅姆于2020年完成開發的第4代SiC MOSFET，是在不犧牲短路耐受時間的情況下實現業內超低導通電阻的產品，目前不僅可供應裸芯片，還可供應分立封裝的產品。該產品有助于實現車載逆變器和各種開關電源等各種應用的小型化和低功耗。其產品特點主要包括：1.在不犧牲短路耐受時間的前提下實現業內超低導通電阻。在第4代SiC MOSFET中，通過進一步改進羅姆自有的雙溝槽結構，成功地在不犧牲主驅逆變器等要求的短路耐受時間的前提下，使導通電阻比以往產品降低約40%。作為SiC MOSFET，實現了業界超低的導通電阻。2.通過大幅降低寄生電容，實現更低開關損耗。第4代SiC MOSFET，通過大幅降低柵漏電容（Cgd），成功地使開關損耗比以往產品降低約50％。3.支持15V柵源驅動電壓，使應用產品的設計更容易。在MOSFET中，需要在器件ON時向晶體管的柵極施加一定量的電壓。除了到第3代SiC MOSFET為止所支持的18V柵源驅動電壓（Vgs）外，第4代SiC MOSFET還支持更容易處理的15V柵源驅動電壓，可與IGBT一起用來設計驅動電路（柵極驅動電路）。

應用示例：主驅逆變器

　　有助于包括車載逆變器和各種開關電源在內的各種應用產品實現顯著的小型化和更低功耗，比如在用于車載主驅逆變器時，與使用IGBT時相比，效率可以得到顯著提升，主要體現在逆變器的高扭矩和低轉速范圍，從而可使電耗減少6%（按國際標準“WLTC燃料消耗量測試”計算）。

3.隨著雙碳政策的不斷推進，第三代半導體在節能增效方面能夠帶給相關的系統哪些全新的競爭優勢，貴公司有哪些與第三代半導體功率器件相關的方案可以助力系統的節能增效？

　　示例：主驅逆變器

　　有助于包括車載逆變器和各種開關電源在內的各種應用產品實現顯著的小型化和更低功耗，比如在用于車載主驅逆變器時，與使用IGBT時相比，效率可以得到顯著提升，主要體現在逆變器的高扭矩和低轉速范圍，從而可使電耗減少6%（按國際標準“WLTC燃料消耗量測試”計算）。

4.新能源汽車和充電樁，也是第三代半導體的主要應用領域之一，您認為，在這兩個方面，第三代半導體主要的技術應用優勢有哪些？對系統的效率和性能，又能帶來哪些新的提升以及新應用的可能？

　　相比硅，碳化硅具有高效率等特性，因而可以更有效地利用電動汽車電池的電能。這將非常有助于延長電動汽車的續航里程并削減電池體積和成本。作為碳化硅元器件的領軍企業之一，羅姆一直致力于先進產品的開發，早在2010年便于業界首次量產SiC MOSFET。在車載領域，羅姆于2012年推出了支持AEC-Q101認證的車載品，并在車載充電器（OBC）領域擁有很高的市場份額。此外，羅姆的碳化硅產品還應用于車載DC/DC轉換器等領域。2020年6月，羅姆發布了業界先進的第4代低導通阻抗碳化硅MOSFET。與以往產品相比，在不犧牲短路耐受時間的前提下，成功實現業界較高水平的低導通電阻，有助于包括車載逆變器和各種開關電源在內的各種應用產品實現顯著的小型化和更低功耗。比如在用于車載主驅逆變器時，與使用IGBT時相比，效率可以得到顯著提升，主要體現在逆變器的高扭矩和低轉速范圍，從而可使電耗減少6%（按國際標準“WLTC燃料消耗量測試”計算）。

5.隨著這一輪缺芯潮的逐漸平息，我們可以看到芯片供應鏈有諸多待改善的地方，那么第三代半導體在供應鏈上會有怎樣的優化？功率半導體企業如何來應對材料供應鏈的問題？

　　在羅姆，SiC業務從SiC籿底、外延、晶圓到封裝都構建了公司內部“一條龍”的生產體制，不僅是器件開發，還致力于晶圓的大口徑化，以及通過投入最新設備來提高生產效率；以性能、品質、穩定供給來實現與友商的差別化。

6.您認為隨著成本的下降，未來GaN在中低功率領域能否完全替代二極管、IGBT、MOSFET等硅基功率器件？在功率器件的工藝上第三代半導體帶來了哪些改變？

　　氮化鎵目前有效耐壓通常可以做到650V，實際上氮化鎵有一個明顯的特性，同樣是高頻率，200k以上，工作頻率比碳化硅會有較大提升，在汽車或服務器電源領域等要求體積小、效率高的應用場合下會有比較大的優勢。氮化鎵作為碳化硅功率元器件的補充產品，未來有望得到進一步普及，氮化鎵的高頻特性將促使其在低耐壓領域有廣泛地應用。