碳化硅助力電動汽車?yán)m(xù)航和成本的全方位優(yōu)化

受訪人：水原德健  羅姆半導(dǎo)體（北京）有限公司技術(shù)中心總經(jīng)理

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

　　目前，市場上基本按下圖劃分幾種材料功率半導(dǎo)體器件的應(yīng)用場景。當(dāng)?shù)皖l、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(dǎo)體材料，硅仍然具有不可替代的應(yīng)用領(lǐng)域。目前來看，基于碳化硅材料的功率半導(dǎo)體適合應(yīng)用于高頻高功率高工作電壓的應(yīng)用場合。

　　作為碳化硅元器件的領(lǐng)軍企業(yè)之一，羅姆一直致力于先進(jìn)產(chǎn)品的開發(fā)，早在2010年便于業(yè)界首次量產(chǎn)SiC MOSFET。在車載領(lǐng)域，羅姆于2012年推出了支持AEC-Q101認(rèn)證的車載品，并在車載充電器（OBC）領(lǐng)域擁有很高的市場份額。此外，羅姆碳化硅產(chǎn)品還應(yīng)用于車載DC/DC轉(zhuǎn)換器等領(lǐng)域。2020年6月，羅姆發(fā)布了業(yè)界先進(jìn)的第4代低導(dǎo)通阻抗SiC MOSFET。與以往產(chǎn)品相比，在不犧牲短路耐受時(shí)間的前提下，成功實(shí)現(xiàn)業(yè)界較高水平的低導(dǎo)通電阻。此產(chǎn)品非常適用于包括主機(jī)逆變器在內(nèi)的車載動力總成系統(tǒng)和工業(yè)設(shè)備的電源。業(yè)界預(yù)計(jì)2023年開始碳化硅在主機(jī)逆變器上的應(yīng)用需求會增加，現(xiàn)在是重要的時(shí)間窗口，羅姆第4代SiC MOSFET已經(jīng)獲得很多廠商的評估和詢價(jià)。

　　氮化鎵目前有效耐壓通?？梢宰龅?50V，實(shí)際上氮化鎵有一個(gè)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(wù)器電源領(lǐng)域等要求體積小、效率高的應(yīng)用場合下會有比較大的優(yōu)勢。氮化鎵作為碳化硅功率元器件的補(bǔ)充產(chǎn)品，未來有望得到進(jìn)一步普及，氮化鎵的高頻特性將促使其在低耐壓領(lǐng)域有廣泛地應(yīng)用。

　　羅姆一直在大力推動業(yè)內(nèi)先進(jìn)的碳化硅元器件和各種具有優(yōu)勢的硅元器件的開發(fā)與量產(chǎn)，同時(shí)，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(fā)，旨在為各種應(yīng)用提供更廣泛的電源解決方案。并且，羅姆將有助于節(jié)能和小型化的氮化鎵器件產(chǎn)品陣容命名為“EcoGaN?”，并一直致力于進(jìn)一步提高器件的性能。今后，羅姆將繼續(xù)開發(fā)融入了“Nano Pulse Control?”等模擬電源技術(shù)的控制IC及其模塊，通過提供能夠更大程度地發(fā)揮氮化鎵器件性能的電源解決方案，為實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展社會貢獻(xiàn)力量。

2.功率器件是第三代半導(dǎo)體的重要應(yīng)用領(lǐng)域之一，您認(rèn)為，相比于傳統(tǒng)功率半導(dǎo)體器件，第三代半導(dǎo)體在功率器件應(yīng)用方面有哪些技術(shù)上的優(yōu)勢，又能帶來哪些技術(shù)指標(biāo)方面的突破和新應(yīng)用的涌現(xiàn)？

　　與傳統(tǒng)的硅器件相比，碳化硅（SiC）器件由于擁有低導(dǎo)通電阻特性以及出色的耐高溫、高頻和耐高壓性能，已經(jīng)成為下一代低損耗半導(dǎo)體可行的候選器件。此外，SiC讓設(shè)計(jì)人員能夠減少元器件的使用，從而進(jìn)一步降低了設(shè)計(jì)的復(fù)雜程度。SiC元器件的低導(dǎo)通電阻特性有助于顯著降低設(shè)備的能耗，從而有助于設(shè)計(jì)出能夠減少CO2排放量的環(huán)保型產(chǎn)品和系統(tǒng)。羅姆在SiC功率元器件和模塊的開發(fā)領(lǐng)域處于先進(jìn)地位，這些器件和模塊在許多行業(yè)的應(yīng)用中都實(shí)現(xiàn)了更佳的節(jié)能效果。

　　羅姆于2020年完成開發(fā)的第4代SiC MOSFET，是在不犧牲短路耐受時(shí)間的情況下實(shí)現(xiàn)業(yè)內(nèi)超低導(dǎo)通電阻的產(chǎn)品，目前不僅可供應(yīng)裸芯片，還可供應(yīng)分立封裝的產(chǎn)品。該產(chǎn)品有助于實(shí)現(xiàn)車載逆變器和各種開關(guān)電源等各種應(yīng)用的小型化和低功耗。其產(chǎn)品特點(diǎn)主要包括：1.在不犧牲短路耐受時(shí)間的前提下實(shí)現(xiàn)業(yè)內(nèi)超低導(dǎo)通電阻。在第4代SiC MOSFET中，通過進(jìn)一步改進(jìn)羅姆自有的雙溝槽結(jié)構(gòu)，成功地在不犧牲主驅(qū)逆變器等要求的短路耐受時(shí)間的前提下，使導(dǎo)通電阻比以往產(chǎn)品降低約40%。作為SiC MOSFET，實(shí)現(xiàn)了業(yè)界超低的導(dǎo)通電阻。2.通過大幅降低寄生電容，實(shí)現(xiàn)更低開關(guān)損耗。第4代SiC MOSFET，通過大幅降低柵漏電容（Cgd），成功地使開關(guān)損耗比以往產(chǎn)品降低約50％。3.支持15V柵源驅(qū)動電壓，使應(yīng)用產(chǎn)品的設(shè)計(jì)更容易。在MOSFET中，需要在器件ON時(shí)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(qū)動電壓（Vgs）外，第4代SiC MOSFET還支持更容易處理的15V柵源驅(qū)動電壓，可與IGBT一起用來設(shè)計(jì)驅(qū)動電路（柵極驅(qū)動電路）。

應(yīng)用示例：主驅(qū)逆變器

　　有助于包括車載逆變器和各種開關(guān)電源在內(nèi)的各種應(yīng)用產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)顯著的小型化和更低功耗，比如在用于車載主驅(qū)逆變器時(shí)，與使用IGBT時(shí)相比，效率可以得到顯著提升，主要體現(xiàn)在逆變器的高扭矩和低轉(zhuǎn)速范圍，從而可使電耗減少6%（按國際標(biāo)準(zhǔn)“WLTC燃料消耗量測試”計(jì)算）。

3.隨著雙碳政策的不斷推進(jìn)，第三代半導(dǎo)體在節(jié)能增效方面能夠帶給相關(guān)的系統(tǒng)哪些全新的競爭優(yōu)勢，貴公司有哪些與第三代半導(dǎo)體功率器件相關(guān)的方案可以助力系統(tǒng)的節(jié)能增效？

　　示例：主驅(qū)逆變器

　　有助于包括車載逆變器和各種開關(guān)電源在內(nèi)的各種應(yīng)用產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)顯著的小型化和更低功耗，比如在用于車載主驅(qū)逆變器時(shí)，與使用IGBT時(shí)相比，效率可以得到顯著提升，主要體現(xiàn)在逆變器的高扭矩和低轉(zhuǎn)速范圍，從而可使電耗減少6%（按國際標(biāo)準(zhǔn)“WLTC燃料消耗量測試”計(jì)算）。

4.新能源汽車和充電樁，也是第三代半導(dǎo)體的主要應(yīng)用領(lǐng)域之一，您認(rèn)為，在這兩個(gè)方面，第三代半導(dǎo)體主要的技術(shù)應(yīng)用優(yōu)勢有哪些？對系統(tǒng)的效率和性能，又能帶來哪些新的提升以及新應(yīng)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(xù)航里程并削減電池體積和成本。作為碳化硅元器件的領(lǐng)軍企業(yè)之一，羅姆一直致力于先進(jìn)產(chǎn)品的開發(fā)，早在2010年便于業(yè)界首次量產(chǎn)SiC MOSFET。在車載領(lǐng)域，羅姆于2012年推出了支持AEC-Q101認(rèn)證的車載品，并在車載充電器（OBC）領(lǐng)域擁有很高的市場份額。此外，羅姆的碳化硅產(chǎn)品還應(yīng)用于車載DC/DC轉(zhuǎn)換器等領(lǐng)域。2020年6月，羅姆發(fā)布了業(yè)界先進(jìn)的第4代低導(dǎo)通阻抗碳化硅MOSFET。與以往產(chǎn)品相比，在不犧牲短路耐受時(shí)間的前提下，成功實(shí)現(xiàn)業(yè)界較高水平的低導(dǎo)通電阻，有助于包括車載逆變器和各種開關(guān)電源在內(nèi)的各種應(yīng)用產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)顯著的小型化和更低功耗。比如在用于車載主驅(qū)逆變器時(shí)，與使用IGBT時(shí)相比，效率可以得到顯著提升，主要體現(xiàn)在逆變器的高扭矩和低轉(zhuǎn)速范圍，從而可使電耗減少6%（按國際標(biāo)準(zhǔn)“WLTC燃料消耗量測試”計(jì)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(yīng)鏈有諸多待改善的地方，那么第三代半導(dǎo)體在供應(yīng)鏈上會有怎樣的優(yōu)化？功率半導(dǎo)體企業(yè)如何來應(yīng)對材料供應(yīng)鏈的問題？

　　在羅姆，SiC業(yè)務(wù)從SiC籿底、外延、晶圓到封裝都構(gòu)建了公司內(nèi)部“一條龍”的生產(chǎn)體制，不僅是器件開發(fā)，還致力于晶圓的大口徑化，以及通過投入最新設(shè)備來提高生產(chǎn)效率；以性能、品質(zhì)、穩(wěn)定供給來實(shí)現(xiàn)與友商的差別化。

6.您認(rèn)為隨著成本的下降，未來GaN在中低功率領(lǐng)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(dǎo)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(shí)際上氮化鎵有一個(gè)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(wù)器電源領(lǐng)域等要求體積小、效率高的應(yīng)用場合下會有比較大的優(yōu)勢。氮化鎵作為碳化硅功率元器件的補(bǔ)充產(chǎn)品，未來有望得到進(jìn)一步普及，氮化鎵的高頻特性將促使其在低耐壓領(lǐng)域有廣泛地應(yīng)用。