NE_手册系列_功率半导体

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1 NE Handbook Power Device

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3 6 第 一 章 功 率 半 导 体 基 础 知 识 6 功 率 半 导 体 9 功 率 MOSFET 10 SJ 功 率 MOSFET 11 IGBT 12 Si 的 性 能 极 限 13 新 一 代 功 率 半 导 体 17 SiC 基 板 19 GaN 基 板 21 SiC 与 GaN C O N T E N T S 22 第 二 章 新 一 代 功 率 半 导 体 的 开 发 动 向 22 SiC 制 SBD 26 SiC 制 MOSFET 30 SiC 制 BJT 32 SiC 模 块 34 GaN 功 率 元 件 38 氧 化 镓 42 第 三 章 新 一 代 功 率 半 导 体 的 应 用 事 例 42 汽 车 46 车 载 音 响 48 铁 路 52 光 伏 发 电 系 统 54 家 电 产 品

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6 第 一 章 功 率 半 导 体 基 础 知 识 Power Device 功 率 半 导 体 如 今, 功 率 MOSFET(metal-oxide-semiconductor field effect transistor : 金 属 氧 化 物 半 导 体 电 场 效 应 晶 体 管 ) 和 IGBT(insulated gate bipolar transistor : 绝 缘 栅 双 极 型 晶 体 管 ) 等 功 率 半 导 体 器 件 获 得 了 前 所 未 有 的 关 注 ( 表 1) 现 在, 全 世 界 很 多 半 导 体 企 业 都 在 斥 巨 资 研 发 和 生 产 功 率 半 导 体 在 日 本 国 内, 东 芝 富 士 通 微 电 子 富 士 电 机 松 下 三 菱 电 机 瑞 萨 电 子 罗 姆 等 半 导 体 企 业 都 在 为 夺 取 功 率 半 导 体 的 市 场 霸 权 而 卯 足 了 精 神 各 公 司 大 力 发 展 功 率 半 导 体 的 缘 由 在 于 全 世 界 对 环 保 意 识 的 提 升 保 护 环 境 需 要 减 少 耗 电 量 和 减 排 二 氧 化 碳 (CO 2 ) 但 人 们 并 不 希 望 为 此 而 降 低 生 活 品 质 和 便 利 性 虽 然 这 两 个 要 求 截 然 相 反, 但 使 用 功 率 半 导 体, 二 者 就 可 以 同 时 得 到 实 现 以 空 调 为 例 通 过 使 用 安 装 了 功 率 半 导 体 的 逆 变 器 进 行 精 密 控 制, 与 只 能 单 纯 控 制 开 关 的 机 型 相 比, 不 仅 制 冷 制 暖 更 加 舒 适, 而 且 耗 电 量 还 能 减 少 约 30% 冰 箱 和 洗 衣 机 等 电 器 同 样 如 此 只 要 使 用 功 率 半 导 体, 舒 适 性 便 利 性 以 及 节 电 可 以 兼 顾 功 率 半 导 体 活 跃 的 舞 台 并 非 只 有 空 调 冰 箱 等 家 电 混 合 动 力 车 和 纯 电 动 汽 车 也 是 离 开 功 率 半 导 体 就 无 法 成 立 的 产 品 这 些 车 辆 均 依 靠 储 存 在 充 电 电 池 中 的 电 能 来 驱 动 马 达 行 驶 此 时, 如 果 直 接 利 表 1: 主 要 功 率 半 导 体 的 比 较 本 表 比 较 了 功 率 MOSFET SJ 构 造 的 功 率 MOSFET IGBT 的 性 能 并 参 考 列 出 了 正 在 开 发 之 中 的 新 一 代 功 率 器 件 SiC( 碳 化 硅 ) 功 率 MOSFET 功 率 MOSFET SJ 功 率 MOSFET IGBT SiC 功 率 MOSFET( 参 考 ) 器 件 型 单 极 元 件 单 极 元 件 双 极 元 件 单 极 元 件 耐 压 V 00V 00V 1 V 400V V 600V V 导 通 电 阻 低 高 速 开 关 特 性 成 本 代 表 性 半 导 体 业 电 电 电 子 飞 半 导 体 英 飞 凌 科 技 际 器 通 用 半 导 体 等 电 子 英 飞 凌 科 技 法 半 导 体 等 电 电 电 子 英 飞 凌 科 技 法 半 导 体 通 用 半 导 体 等 电 科 英 飞 凌 科 技 等 *1 由 于 IGBT 是 双 极 元 件, 所 以 评 价 依 据 的 是 VCE ( s a t )( 饱 和 电 压 导 通 电 压 ), 而 非 导 通 电 阻 此 次 为 了 便 于 比 较, 所 以 仍 然 在 导 通 电 阻 栏 内 填 写 了 评 价 6 7

7 第 一 章 功 率 半 导 体 基 础 知 识 Power MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)) 功 率 MOSFET 用 充 电 电 池 中 储 存 的 电 能 并 不 能 高 效 驱 动 马 达 电 压 和 电 流 需 要 首 先 转 换 成 最 佳 值 ( 图 1), 担 负 这 一 工 作 的 正 是 功 率 半 导 体 而 且, 驱 动 功 率 半 导 体 的 栅 极 驱 动 器 也 不 可 小 觑, 这 是 切 换 功 率 半 导 体 开 关 时 必 不 可 少 的 电 路 在 混 合 动 力 车 和 纯 电 动 汽 车 中, 一 台 逆 变 器 一 般 需 要 6 个 栅 极 驱 动 器 即 使 同 为 功 率 半 导 体, 按 照 构 造 的 不 同 可 以 分 为 很 多 种 类 而 且, 各 个 种 类 的 特 点 和 性 能 各 不 相 同 在 选 用 时 必 须 了 解 各 自 的 特 点, 有 的 放 矢 电 源 电 路 常 用 的 功 率 半 导 体 大 致 有 三 种 功 率 MOSFET 超 结 (SJ :super junction) 构 造 的 功 率 MOSFET 以 及 IGBT 功 率 MOSFET 是 采 用 了 能 够 支 持 大 功 率 的 电 路 构 造 的 MOSFET 一 般 多 采 用 DMOS(double diffused MOSFET) 构 造 大 多 用 于 10 多 V ~ 500V 左 右 耐 压 用 途 功 率 MOSFET 的 特 点 是 能 够 获 得 低 导 通 电 阻 和 高 速 开 关 特 性 不 仅 构 造 简 单, 而 且 产 量 极 高, 因 此 元 件 成 本 很 低 称 得 上 是 最 理 想 的 功 率 半 导 体 在 10 多 V ~ 500V 左 右 的 耐 压 范 围 内 可 谓 所 向 披 靡 但 功 率 MOSFET 也 存 在 弱 点 这 就 是 提 高 耐 压 比 较 困 难 如 果 为 了 提 高 耐 压 而 增 加 元 件 的 厚 度, 就 会 导 致 导 通 电 阻 的 增 大 30V 耐 压 产 品 的 导 通 电 阻 仅 为 数 mω, 而 500V 耐 压 产 品 就 达 到 了 数 Ω 因 此,900V 耐 压 产 品 虽 有 投 产, 但 在 超 过 500V 耐 压 时, 功 率 MOSFET 的 竞 争 力 急 剧 下 降 高 边 开 关 ( 高 速 开 关 特 性 ) 源 极 栅 极 低 边 开 关 ( 低 导 通 电 阻 ) 图 1:DC-DC 转 换 器 中 的 功 率 半 导 体 DC-DC 转 换 器 电 路 ( 图 为 降 压 型 ) 使 用 了 高 边 开 关 和 低 边 开 关 两 个 功 率 半 导 体 基 板 极 功 率 MOSFET 的 一 般 构 造 常 见 的 功 率 MOSFET 的 元 件 构 造 特 点 在 于 能 够 获 得 低 导 通 电 阻 和 高 速 开 关 特 性 8 9

8 第 一 章 功 率 半 导 体 基 础 知 识 Super Junction Power MOSFET SJ 功 率 MOSFET 在 超 过 500V 的 耐 压 区 域 导 通 电 阻 增 大 为 了 解 决 功 率 MOSFET 的 这 个 弱 点,SJ 功 率 MOSFET 应 运 而 生 这 是 一 种 在 1998 年 投 入 实 用 的 新 型 功 率 半 导 体 之 后, 很 多 企 业 都 推 出 了 相 同 构 造 的 产 品, 如 今 已 经 发 展 成 了 一 个 成 熟 的 产 品 领 域 SJ 功 率 MOSFET 在 构 造 上 的 特 点 在 于 深 p 型 外 延 层 有 了 这 个 外 延 层, 就 能 够 沿 元 件 的 垂 直 方 向 确 保 让 电 流 容 易 流 经 的 通 道 这 也 就 可 以 降 低 导 通 电 阻 SJ 功 率 MOSFET 的 耐 压 区 域 约 为 500V ~ 1kV 拥 有 以 上 特 点 的 SJ 功 率 MOSFET 同 样 存 在 弱 点 那 就 是 价 格 这 是 因 为 需 要 在 元 件 的 内 部 制 作 深 p 型 外 延 层, 制 造 工 艺 变 得 复 杂 所 致 Insulated Gate Bipolar Transistor IGBT 在 400V ~ 10 数 kv 的 高 耐 压 区 域, 现 在 最 常 用 的 功 率 半 导 体 是 IGBT IGBT 是 输 入 部 分 采 用 MOS 构 造, 输 出 部 分 采 用 双 极 构 造 的 器 件 通 过 采 用 这 种 构 造, 使 用 电 子 与 空 穴 两 种 载 流 子 的 双 极 元 件 能 够 兼 顾 低 饱 和 电 压 ( 相 当 于 功 率 MOSFET 的 导 通 电 阻 ) 和 较 快 的 开 关 特 性 现 在,IGBT 的 饱 和 电 压 已 经 降 到 了 1.5V 左 右, 开 关 特 性 已 经 可 以 支 持 到 50kHz 左 右 而 且, 因 为 是 双 极 元 件, 所 以 构 造 简 单, 与 耐 压 相 同 的 功 率 MOSFET 相 比, 还 具 有 价 格 要 低 许 多 的 优 势 不 过, 开 关 特 性 虽 然 得 到 了 改 善, 但 工 作 频 率 依 然 不 及 功 率 MOSFET 这 是 IGBT 的 弱 点 使 用 功 率 MOSFET 时, 工 作 频 率 可 以 超 过 100kHz 超 结 构 造 SJ 功 率 MOSFET 的 元 件 构 造 与 功 率 MOSFET 相 比,p 层 更 深 IGBT 的 元 件 构 造 输 入 部 分 为 MOS 构 造, 输 出 部 分 为 双 极 构 造 ( 出 处 : 英 飞 凌 科 技 ) 10 11

9 第 一 章 功 率 半 导 体 基 础 知 识 Performance Limitations of Silicon Devices Si 的 性 能 极 限 现 在, 使 用 SiC( 碳 化 硅 ) 和 GaN( 氮 化 镓 ) 的 新 一 代 功 率 器 件 的 开 发 正 在 推 进 之 中, 部 分 器 件 也 已 经 投 产 这 些 新 一 代 功 率 器 件 的 开 发 之 所 以 进 展 快 速, 是 因 为 使 用 Si 材 料 的 功 率 半 导 体 已 经 接 近 了 性 能 的 极 限 对 于 一 般 的 功 率 MOSFET(RDS(ON)) 的 导 通 电 阻 而 言, 存 在 着 由 Si 材 料 性 质 决 定 的 性 能 极 限 通 过 采 用 SJ 构 造, 这 一 性 能 极 限 被 超 越 但 时 至 今 日, 即 便 是 SJ 功 率 MOSFET, 降 低 导 通 电 阻 的 余 地 也 已 经 所 剩 无 几 在 这 种 情 况 下, 为 了 从 使 用 Si 的 功 率 半 导 体 手 中 接 过 接 力 棒, 新 一 代 功 率 器 件 的 开 发 正 在 如 火 如 荼 地 进 行 导 通 电 阻 Si 功 率 MOSFET 的 现 ( 高 性 能 器 件 ) Si 功 率 MOSFET 的 性 能 极 限 SJ 功 率 MOSFET 的 现 ( 通 器 件 ) SJ 功 率 MOSFET 的 现 ( 高 性 能 器 件 ) 耐 压 Si 功 率 半 导 体 逼 近 性 能 极 限 通 过 采 用 SJ 构 造, 虽 然 超 越 了 常 见 的 功 率 MOSFET 的 性 能 极 限, 但 降 低 导 通 电 阻 的 余 地 却 越 来 越 小 ( 出 处 : 英 飞 凌 科 技 ) Next Generation Power Device 新 一 代 功 率 半 导 体 为 了 降 低 空 调 冰 箱 纯 电 动 汽 车 混 合 动 力 车 配 备 的 逆 变 器 等 电 源 电 路 上 产 生 的 电 力 损 耗, 备 受 人 们 期 待 的 是 使 用 SiC 和 GaN 等 材 料 的 新 一 代 功 率 半 导 体 器 件 能 够 发 挥 出 SiC 和 GaN 的 强 大 材 料 特 性 的 功 率 半 导 体 器 件 已 经 投 产 SiC 方 面, 德 国 英 飞 凌 科 技 于 2001 年 8 月 投 产 了 肖 特 基 势 垒 二 极 管 (SBD) 在 2010 年 底 到 2011 年 初, 罗 姆 美 国 科 锐 先 后 宣 布 将 开 始 量 产 功 率 MOSFET 至 此, 逆 变 器 中 必 不 可 少 的 功 率 MOSFET(JFET) 器 件 悉 数 到 齐, 全 SiC 化 有 了 实 现 的 希 望 再 来 看 GaN, 美 国 国 际 整 流 器 公 司 (International Rectifier) 于 2010 年 2 月 美 国 宜 普 电 源 转 换 公 司 (Efficient Power Conversion) 于 同 年 3 月 也 先 后 宣 布 了 投 产 GaN 功 率 晶 体 管 的 决 定 电 力 损 失 减 至 一 半 以 下 新 一 代 功 率 半 导 体 蕴 含 着 极 高 的 实 力 例 如, 为 逆 变 器 采 用 新 一 代 功 率 半 导 体 后, 与 使 用 现 行 的 Si 制 功 率 半 导 体 相 比, 虽 然 电 力 损 失 的 具 体 数 值 会 因 输 出 功 率 和 电 路 构 成 而 略 有 差 异, 但 基 本 上 能 够 降 低 到 一 半 以 下 而 且 还 能 够 削 减 逆 变 器 的 外 形 尺 寸 和 重 量 因 为 有 助 于 实 现 电 器 和 车 辆 的 小 型 化 和 轻 量 化, 所 以 能 够 提 高 能 源 的 利 用 效 率 12 13

10 第 一 章 功 率 半 导 体 基 础 知 识 与 Si 制 功 率 半 导 体 相 比, 新 一 代 功 率 半 导 体 优 点 诸 多 那 么, 新 一 代 功 率 半 导 体 的 为 什 么 能 够 实 现 高 性 能 呢? 其 答 案 在 于 SiC 与 GaN 的 材 料 特 性 上 值 得 关 注 的 基 本 特 性 大 致 有 三 点 ( 见 表 1) ( 1 ) 绝 缘 击 穿 电 场 ( 2 ) 饱 和 漂 移 速 度 ( 3 ) 导 热 率 导 通 电 阻 降 至 1/1000 流 子 的 杂 质 浓 度, 具 有 可 降 低 导 通 电 阻 的 特 点 因 为 杂 质 的 浓 度 按 照 与 绝 缘 击 穿 电 场 强 度 的 平 方 成 正 比 的 关 系 增 加, 所 以 使 用 绝 缘 击 穿 电 场 10 倍 于 Si 的 SiC 和 GaN 时, 杂 质 浓 度 可 以 提 高 100 倍 如 此 一 来, 载 流 子 的 数 量 也 就 随 之 提 高 100 倍, 导 通 电 阻 可 以 降 低 到 大 约 1/100 SiC 与 GaN 的 绝 缘 击 穿 电 场 比 Si 大 了 一 个 数 量 级 因 此, 在 耐 压 相 同 的 情 况 下, 使 用 SiC 和 GaN 的 功 率 半 导 体 器 件 的 厚 度 只 是 Si 器 件 的 约 1/10 器 件 越 薄, 电 流 在 器 件 内 部 通 过 的 距 离 ( 漂 移 层 ) 越 短 因 此, 导 通 电 阻 也 可 以 减 少 至 约 1/10 而 且,SiC 和 GaN 与 Si 相 比, 能 够 提 高 作 为 载 表 1:SiC 和 GaN 的 基 本 材 料 特 性 SiC 和 GaN 在 绝 缘 击 穿 电 场 饱 和 漂 移 速 度 导 热 率 等 性 能 方 面 远 胜 过 Si 充 分 利 用 这 一 特 点, 功 率 半 导 体 器 件 就 可 以 达 到 更 高 的 性 能 另 外, 表 中 SiC 栏 所 标 注 的 数 值 为 晶 体 构 造 4H-SiC 的 性 能 ( 出 处 : 日 本 产 业 技 术 综 合 研 究 所 ) 相 对 电 常 数 绝 缘 击 穿 电 场 饱 和 漂 移 速 度 电 子 迁 移 率 导 热 率 Si( 硅 ) SiC( 碳 化 硅 ) GaN( 化 ) 1 12eV 26eV 4eV V/cm V/cm 10 6 V/cm cm/s cm/s 2 10 cm/s 1 0cm 2 /Vs 1000cm 2 /Vs 00cm 2 /Vs 1 /cm 4 /cm 2 /cm 通 过 绝 缘 击 穿 电 场 降 低 的 导 通 电 阻, 以 及 通 过 杂 质 浓 度 降 低 的 导 通 电 阻 两 种 方 式 获 得 的 效 果 为 乘 积 效 应, 所 以 SiC 和 GaN 在 理 论 上 能 够 使 导 通 电 阻 降 低 到 Si 的 1/1000( 图 1) 关 于 第 二 个 基 本 特 性 饱 和 漂 移 速 度,SiC 和 GaN 比 Si 快 2 ~ 3 倍 左 右 饱 和 漂 移 速 度 的 加 快 可 以 使 开 关 更 加 迅 速 换 言 之, 也 就 是 能 够 提 高 开 关 频 率 提 高 开 关 频 率 的 效 果 体 现 在 电 感 器 电 容 器 等 周 边 部 件 的 小 型 化 上 一 般 来 说, 交 流 电 路 的 电 感 值 和 电 容 值 是 频 率 的 函 数 因 此, 当 电 感 值 或 电 容 值 相 同 时, 频 率 越 高, 就 可 以 使 用 容 量 越 小 的 电 感 器 和 电 容 器 14 15

11 第 一 章 功 率 半 导 体 基 础 知 识 SiC Wafer SiC 基 板 电 感 器 与 电 容 器 的 体 积 与 其 容 量 数 值 基 本 成 正 比 也 就 是 说, 如 果 电 感 值 和 电 容 值 只 需 1/10, 那 么 体 积 也 就 可 以 缩 小 到 1/10 在 逆 变 器 等 器 件 中, 电 感 器 和 电 容 器 所 占 的 比 例 相 当 大 正 因 为 如 此, 高 频 化 能 够 获 得 的 效 果 非 常 明 显 使 用 SiC 和 GaN 的 新 一 代 功 率 半 导 体 虽 说 已 经 朝 着 普 及 目 标 顺 利 迈 出 了 步 伐 但 是, 要 想 全 面 替 换 Si 功 率 半 导 体, 还 有 几 个 课 题 必 须 解 决 日 本 产 业 技 术 综 合 研 究 所 的 奥 村 元 指 出, SiC 和 GaN 最 大 的 课 题 都 是 基 板 关 于 第 三 个 基 本 特 性 导 热 率,SiC 是 Si 的 约 3 倍,GaN 是 约 1.4 倍 提 高 导 热 率 后, 在 器 件 内 产 生 的 热 量 就 更 容 易 释 放 到 外 部 这 样, 散 热 片 等 冷 却 部 件 就 可 以 采 用 更 小 型 的 产 品 首 先 来 看 SiC 功 率 半 导 体 的 基 板 一 般 来 说, SiC 功 率 半 导 体 使 用 SiC 单 晶 基 板 这 种 基 板 现 在 存 在 两 个 问 题 一 个 是 基 板 品 质 不 佳, 另 一 个 是 基 板 直 径 太 小 基 板 品 质 的 问 题 在 于 位 错 密 度 位 错 是 指 基 板 内 存 在 的 缺 陷 位 错 密 度 高 不 仅 会 增 大 电 流 通 过 的 图 1: 导 通 电 阻 可 以 大 幅 降 低 SiC 制 功 率 MOSFET 与 Si 制 功 率 半 导 体 相 比, 绝 缘 击 穿 电 场 高 出 了 一 个 数 量 级, 所 以 器 件 的 厚 度 仅 为 后 者 的 1/10 另 外, 杂 质 浓 度 约 为 后 者 的 100 倍 因 此, SiC 制 功 率 MOSFET 的 导 通 电 阻 理 论 上 可 以 缩 小 到 Si 制 的 1/1000 日 本 产 业 技 术 综 合 研 究 所 已 经 确 认 实 际 可 以 缩 小 到 1/200 SiC 功 率 MOSFET 存 在 的 问 题 问 题 大 致 分 为 两 个 一 个 是 器 件 内 部 形 成 的 pn 二 极 管 另 一 个 是 栅 极 氧 化 膜 的 品 质 特 别 是 栅 极 氧 化 膜 的 品 质 问 题, 因 为 对 器 件 本 身 的 可 靠 性 影 响 较 大, 所 以 目 前 正 在 加 紧 改 进 之 中 最 有 效 的 解 决 方 法 是 开 发 位 错 密 度 小 的 SiC 单 晶 基 板 ( 出 处 : 日 本 产 业 技 术 综 合 研 究 所 ) 16 17

12 第 一 章 功 率 半 导 体 基 础 知 识 GaN Wafer GaN 基 板 难 度, 还 会 降 低 可 靠 性 奥 村 表 示, 现 在,SiC 单 晶 基 板 的 位 错 密 度 约 为 10 4 个 /cm 2 这 个 数 值 对 于 制 造 SBD 不 会 造 成 太 大 的 问 题 但 用 于 制 造 功 率 MOSFET 就 变 成 问 题 了 位 错 密 度 需 要 降 低 到 约 200 个 /cm 2 功 率 MOSFET 要 求 位 错 密 度 低 的 原 因 在 于 栅 极 氧 化 膜 栅 极 氧 化 膜 上 加 载 着 大 电 场, 应 力 持 续 存 在 因 此, 如 果 位 错 密 度 大, 器 件 本 身 就 会 发 生 劣 化 基 板 直 径 直 接 关 系 到 成 本 另 一 个 课 题 基 板 直 径 直 接 关 系 到 了 成 本 的 大 小 直 径 越 大,1 枚 基 板 能 够 制 造 的 器 件 越 多 也 就 能 够 降 低 单 位 器 件 的 成 本 GaN 功 率 半 导 体 的 产 品 化 始 自 2010 年 冬 季 制 造 工 艺 采 用 在 Si 基 板 上 叠 加 GaN 薄 膜 的 异 质 外 延 生 长 法 但 这 种 工 艺 必 须 对 晶 格 不 同 的 材 料 进 行 叠 加, 很 难 制 造 出 高 品 质 的 晶 体 制 造 LED 的 话 还 不 是 大 问 题, 但 功 率 半 导 体 加 载 的 电 场 和 流 经 的 电 流 都 大 于 LED 因 此, 可 靠 性 方 面 的 担 忧 无 法 消 除 ( 日 本 产 业 技 术 综 合 研 究 所 先 进 功 率 电 子 研 究 中 心 主 任 奥 村 元 ) 实 际 上 采 用 异 质 外 延 生 长 法 制 造 的 产 品 耐 压 仅 为 几 十 ~ 200V, 漏 极 电 流 最 大 也 仅 为 30A 左 右 GaN 材 料 的 高 耐 压 高 效 率 的 特 点 并 未 得 到 充 分 的 发 挥 既 然 如 此, 我 们 可 以 改 换 成 叠 加 相 同 材 料 的 同 质 外 延 生 长 法 制 造 工 艺 这 种 方 法 不 使 用 Si 和 蓝 宝 石 等 不 同 的 材 料 作 为 基 板, 而 是 使 用 GaN 作 为 基 现 在, 直 径 为 4 英 寸 的 SiC 单 晶 基 板 已 经 比 较 容 易 买 到 但 奥 村 表 示, 4 英 寸 还 太 小 如 果 6 英 寸 不 能 成 为 主 流, 成 本 恐 怕 还 会 很 高 不 过, 直 径 增 大 后, 位 错 密 度 也 会 随 之 增 加 如 果 位 错 密 度 增 加, 就 生 产 不 出 可 靠 的 功 率 半 导 体 所 以,SiC 单 晶 基 板 的 开 发 需 要 同 时 实 现 基 板 的 大 直 径 化 与 降 低 位 错 密 度 GaN 功 率 半 导 体 的 构 造 GaN 功 率 半 导 体 采 用 横 向 构 造 也 就 是 HEMT(high electron mobility transistor) 构 造 因 为 采 用 了 这 种 构 造, 所 以 电 子 迁 移 率 高 因 为 能 够 大 幅 提 升 开 关 频 率, 所 以 可 以 实 现 电 源 电 路 的 小 型 化 ( 出 处 : 日 本 产 业 技 术 综 合 研 究 所 ) 18 19

13 第 一 章 功 率 半 导 体 基 础 知 识 SiC and GaN SiC 与 GaN 板 GaN 单 晶 基 板 现 在 已 经 实 用 化, 但 用 作 GaN 功 率 半 导 体 的 基 板 仍 然 存 在 不 足 目 前 GaN 单 晶 基 板 面 临 的 课 题 有 两 个 一 个 是 基 板 直 径 小 现 在 能 够 获 得 的 最 大 尺 寸 仅 为 2 ~ 4 英 寸 而 蓝 宝 石 最 大 为 6 英 寸,Si 最 大 为 8 英 寸 以 上 直 径 越 小,1 枚 基 板 能 够 制 作 的 器 件 越 少 因 此, 成 本 也 就 越 高 另 一 个 课 题 是 基 板 品 质 不 稳 定 基 板 内 存 在 的 缺 陷 之 一 晶 体 位 错 的 密 度 高 达 10 5 个 /cm 2 左 右 这 种 状 态 下, 很 难 批 量 生 产 高 耐 压 大 电 流 的 GaN 功 率 半 导 体 位 错 密 度 需 要 降 低 到 10 2 ~ 10 3 个 /cm 2 左 右 ( 奥 村 ) SiC 功 率 半 导 体 的 战 略 十 分 明 确 Si 功 率 半 导 体 中 的 IGBT 瞄 准 的 是 大 约 600V 以 上 的 高 耐 压 区 域 IGBT 的 导 通 电 阻 较 低, 但 开 关 速 度 也 较 慢 SiC 功 率 MOSFET 的 导 通 电 阻 和 开 关 速 度 都 优 于 IGBT 那 么,GaN 功 率 半 导 体 瞄 准 的 是 哪 个 区 域 呢? 业 界 的 一 般 看 法 是,GaN 功 率 半 导 体 瞄 准 的 耐 压 区 域 比 SiC 功 率 半 导 体 低, 大 约 为 几 十 V ~ 600V 但 是 在 这 个 耐 压 区 域, 除 了 普 通 的 功 率 MOSFET 之 外, SJ 构 造 的 功 率 MOSFET 也 大 量 投 放, 性 能 颇 高 的 器 件 价 格 已 经 以 相 当 低 廉 的 价 格 在 销 售 GaN 功 率 半 导 体 能 否 实 现 普 及, 关 键 在 于 其 性 价 比 能 否 超 越 Si 功 率 半 导 体 现 在, 旨 在 解 决 GaN 单 晶 基 板 的 上 述 课 题 的 开 发 正 在 快 速 推 进 比 如, 制 定 6 英 寸 GaN 单 晶 基 板 的 生 产 计 划, 导 入 切 削 薄 基 板 技 术 等 除 此 之 外, 还 有 利 用 制 造 人 工 水 晶 等 大 型 晶 体 的 技 术 来 实 现 GaN 单 晶 基 板 的 大 直 径 化 和 高 品 质 化 的 动 向 通 过 采 用 这 些 新 技 术, 成 本 可 以 大 幅 减 少 无 论 是 SiC 还 是 GaN, 只 要 基 板 的 问 题 得 到 了 解 决, 为 数 众 多 的 半 导 体 企 业 就 能 够 推 出 更 丰 富 多 彩 的 器 件 SiC 瞄 准 耐 压 600V 以 上 的 用 途 SiC 功 率 半 导 体 瞄 准 的 市 场 是 大 约 600V 以 上 的 耐 压 用 途 GaN 功 率 半 导 体 瞄 准 的 则 是 大 约 600V 以 下 的 耐 压 用 途 20 21

14 第 二 章 新 一 代 功 率 半 导 体 的 开 发 动 向 SiC Schottky Barrier Diode SiC 制 SBD SiC 肖 特 基 势 垒 二 极 管 (SBD) 于 2001 年 由 德 国 英 飞 凌 科 技 率 先 投 产, 之 后, 意 法 半 导 体 和 美 国 科 锐 等 欧 美 企 业 也 相 继 量 产 推 进 了 基 板 的 大 直 径 化 ( 图 1) 直 径 为 4 英 寸 的 产 品 逐 渐 成 为 主 流 预 计 2012 年 内 会 开 始 样 品 供 货 6 英 寸 产 品,2013 年 6 英 寸 产 品 也 将 进 入 量 产 阶 段 日 本 企 业 中 最 先 行 动 的 是 罗 姆, 该 公 司 2010 年 4 月 开 始 量 产 供 货 耐 压 为 600V 输 出 电 流 为 10A 的 SiC 制 SBD SCS110A 系 列 量 产 化 之 际, 解 决 了 肖 特 基 接 触 势 垒 的 均 匀 性 以 及 无 需 高 温 处 理 的 高 电 阻 保 护 环 (Guard Ring) 层 的 形 成 等 一 系 列 问 题 另 外, 2010 年 10 月, 三 菱 电 机 在 空 调 压 缩 机 用 逆 变 器 中 配 备 了 自 主 开 发 的 SiC 制 SBD 这 是 SiC 功 率 半 导 体 全 球 首 次 ( 三 菱 电 机 ) 用 于 面 向 普 通 消 费 者 的 产 品 除 此 之 外,2010 年 开 始 从 事 SiC 制 SBD 业 务 的 厂 商 接 连 涌 现 比 如, 新 日 本 无 线 新 电 元 工 业 和 瑞 萨 电 子 分 别 于 2010 年 春 2010 年 7 月 和 2011 年 3 月 开 始 样 品 供 货 SiC 制 SBD 其 中, 新 电 元 工 业 早 在 2006 年 9 月 就 已 经 开 始 量 产 SiC 制 SBD, 不 过 到 2010 年 春 之 前 一 直 是 从 外 部 采 购 芯 片 而 非 自 行 制 造 的 模 式, 此 次 则 建 立 了 从 芯 片 制 造 到 封 装 全 部 独 立 完 成 的 体 制 另 外, 随 着 基 板 厂 商 的 增 加 还 带 来 了 价 格 竞 争, 基 板 比 以 前 更 便 宜 了 层 积 外 延 层 的 外 延 基 板 厂 商 的 增 加 也 降 低 了 涉 足 SiC 制 SBD 业 务 的 门 槛 除 了 SiC 基 板 的 业 务 环 境 好 转 之 外, 大 功 率 用 途 的 Si 二 极 管 比 Si 晶 体 管 的 性 能 提 高 余 地 更 小 ( 熟 悉 功 率 元 件 的 技 术 人 员 ), 这 一 缺 点 也 推 动 了 对 SiC 二 极 管 的 需 求 增 加 Si 二 极 管 构 造 简 单, 但 相 对 而 言, 性 能 提 高 逐 渐 接 近 极 限, 替 换 为 SiC 二 极 管 的 动 向 今 后 将 增 加 ( 同 上 ) 涉 足 SiC 制 SBD 业 务 的 厂 商 不 断 增 加 的 原 因 在 于, 制 作 功 率 元 件 不 可 或 缺 的 SiC 基 板 品 质 有 了 好 转 例 如, 结 晶 缺 陷 减 少 品 质 得 到 提 高, 而 且 还 图 1:SiC 基 板 不 断 实 现 大 直 径 化 SiC 基 板 的 大 直 径 化 和 低 价 格 化 推 动 了 SiC 制 SBD 的 业 务 发 展 照 片 为 德 国 SiCrystal 公 司 的 SiC 基 板 22 23

15 第 二 章 新 一 代 功 率 半 导 体 的 开 发 动 向 2012 年 新 一 代 产 品 亮 相 2012 年, 特 性 得 到 改 善 的 新 产 品 接 连 亮 相 其 中, 瑞 萨 电 子 2012 年 宣 布 推 出 将 2011 年 发 布 的 SiC 制 SBD RJS6005TDPP, 以 及 Si 高 耐 压 晶 体 管 收 纳 到 一 个 封 装 中 的 复 合 器 件 ( 图 2) 寻 找 与 此 前 从 未 用 过 的 器 件 相 匹 配 的 器 件 并 非 易 事 此 次 的 复 合 器 件 大 幅 减 轻 了 这 种 作 业 负 担 ( 瑞 萨 电 子 ) 复 合 器 件 通 过 组 合 使 用 MCU 和 多 种 控 制 IC 等, 可 轻 松 构 成 电 源 电 路 和 逆 变 器 电 路 该 公 司 还 计 划 提 供 空 调 等 特 定 产 品 使 用 的 电 路 评 估 板 ( 开 发 套 件 ) 提 高 了 SiC 制 SBD 特 性 的, 是 在 日 本 国 内 厂 商 中 率 先 开 始 量 产 的 罗 姆 该 公 司 开 发 出 了 正 向 电 压 只 有 1.35V 的 SiC 制 SBD SCS210AG/AM, 已 于 2012 年 6 月 开 始 样 品 供 货 ( 图 3) 正 向 电 压 比 该 公 司 的 原 产 品 小 10%, 为 业 界 最 小 ( 罗 姆 ) 一 般 情 况 下, 正 向 电 压 降 低, 反 向 的 漏 电 流 就 会 增 加 罗 姆 虽 然 没 有 公 布 详 情, 但 表 示 通 过 改 善 制 造 工 艺 和 元 件 构 造, 在 保 持 低 漏 电 流 的 情 况 下 成 功 地 降 低 了 正 向 电 压 其 中 正 向 上 升 电 压 尤 其 低, 此 举 有 望 改 善 常 用 的 低 负 荷 状 态 下 的 工 作 效 率 图 2 :SiC 制 SBD 和 Si 晶 体 管 收 纳 在 一 个 封 装 中 瑞 萨 电 子 推 出 了 将 SiC 制 SBD 和 Si 晶 体 管 收 纳 在 一 个 封 装 中 的 复 合 器 件 ( 照 片 : 瑞 萨 电 子 ) 图 3 : 正 向 电 压 减 小 10 % 罗 姆 开 发 出 了 与 该 公 司 原 产 品 相 比 正 向 电 压 减 小 10% 的 SiC 制 SBD ( 照 片 : 罗 姆 ) 24 25

16 第 二 章 新 一 代 功 率 半 导 体 的 开 发 动 向 SiC Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Diode SiC 制 MOSFET SiC 晶 体 管 虽 然 已 经 开 始 产 品 化, 但 还 不 如 SiC 二 极 管 那 样 普 及, 只 在 很 少 的 用 途 得 到 了 采 用 这 是 因 为, 晶 体 管 比 二 极 管 的 制 造 工 艺 复 杂, 所 以 成 品 率 低 价 格 高 另 外,Si 晶 体 管 性 能 提 高 的 速 度 虽 然 与 以 往 相 比 要 慢, 但 还 是 在 不 断 提 高 之 中 而 且 与 二 极 管 相 比, Si 晶 体 管 性 能 提 高 的 空 间 还 很 大 ( 熟 悉 功 率 元 件 的 技 术 人 员 ) 也 就 是 说, 就 目 前 而 言, 低 价 格 高 性 能 的 Si 晶 体 管 更 便 于 使 用 在 此 背 景 下, 削 减 SiC 晶 体 管 的 成 本 并 挖 掘 SiC 出 色 的 材 料 特 性, 实 现 Si 所 无 法 实 现 的 性 能 的 研 发 在 不 断 加 速 因 原 理 上 易 于 实 现 常 开 工 作, 所 以 许 多 企 业 在 各 种 晶 体 管 的 开 发 中 首 选 MOSFET 罗 姆 从 2010 年 12 月 开 始 供 货 SiC 制 MOSFET 的 客 户 定 制 品 此 外, 美 国 科 锐 2011 年 1 月 宣 布 上 市 通 用 产 品 ( 图 1) 罗 姆 自 主 开 发 出 了 电 场 弛 豫 构 造 和 筛 选 法, 确 保 了 可 靠 性, 同 时 还 开 发 了 在 SiC 特 有 的 1700 高 温 工 艺 下 抑 制 特 性 劣 化 的 技 术, 全 球 首 次 ( 罗 姆 ) 确 立 了 量 产 体 制 另 外, 科 锐 也 强 调 自 己 在 业 界 首 家 推 出 产 品 降 低 导 通 电 阻 SiC 制 MOSFET 因 导 通 时 的 损 失 较 大, 因 此 降 低 导 通 电 阻 以 抑 制 导 通 损 失 的 研 发 也 在 推 进 之 中 目 标 是 使 导 通 电 阻 降 到 Si 功 率 元 件 的 1/10 以 下 降 低 导 通 电 阻 的 方 法 为 采 用 在 栅 极 正 下 方 挖 沟 槽 的 沟 道 型 现 已 投 产 的 SiC 制 MOSFET 为 平 面 型 平 面 型 如 果 为 降 低 通 道 电 阻 而 使 单 元 微 细 化 的 话, 会 导 致 JFET 电 阻 ( 结 型 场 效 应 晶 体 管 电 阻 ) 增 加, 所 以 导 通 电 阻 的 降 低 存 在 极 限 而 如 果 是 沟 道 型, 在 构 造 上 JFET 电 阻 不 存 在 因 此, 更 适 合 用 来 降 低 通 道 电 阻, 以 减 小 导 通 电 阻 图 1:SiC 制 MOSFET 的 量 产 品 科 锐 2011 年 1 月 宣 布 推 出 SiC 制 MOSFET ( 摄 影 : 科 锐 ) 例 如, 罗 姆 试 制 出 的 沟 道 型 SiC 制 MOSFET, 导 通 电 阻 与 Si 制 MOSFET 相 比 只 有 后 者 的 1/20 以 下 与 已 经 量 产 的 SiC 制 MOSFET 相 比 也 不 到 1/7( 图 2) 除 导 通 电 阻 外 还 减 小 了 基 板 电 阻, 由 此 在 600V 耐 压 下 实 现 了 0.79mΩcm 2 的 导 通 电 阻, 在 1200V 耐 压 下 26 27

17 第 二 章 新 一 代 功 率 半 导 体 的 开 发 动 向 实 现 了 1.41mΩcm 2 的 导 通 电 阻 沟 道 型 虽 然 可 降 低 导 通 电 阻, 但 由 于 在 栅 极 正 下 方 挖 了 沟 槽, 因 此 比 平 面 型 难 以 量 产 目 前 尚 未 实 现 产 品 化 预 计 最 早 将 由 罗 姆 等 于 2013 年 推 出 产 品 除 此 之 外, 豪 雅 利 用 具 备 3C 型 结 晶 构 造 的 SiC 试 制 了 MOSFET 现 已 投 产 的 SiC 功 率 元 件 采 用 4H 型 结 晶 3C 型 SiC 可 在 Si 基 板 上 生 长 结 晶, 因 此 适 合 用 来 降 低 材 料 成 本 和 扩 大 基 板 直 径 这 样 便 有 望 实 现 低 成 本 化 由 于 采 用 成 长 速 度 快 的 气 相 法 来 生 长 结 晶, 所 以 还 有 助 于 提 高 生 产 效 率 利 用 3C 型 SiC 制 作 MOSFET 还 有 望 实 现 高 通 道 迁 移 率 原 因 是 栅 极 氧 化 膜 的 界 面 品 质 得 到 提 高, 捕 获 通 道 电 子 的 界 面 态 减 少 了 豪 雅 试 制 出 了 通 道 迁 移 率 在 室 温 下 最 大 为 370cm 2 /Vs 是 4H 型 的 3 倍 以 上 的 MOSFET 即 使 试 制 品 的 接 合 温 度 提 高 到 300, 也 能 维 持 178cm 2 /Vs 豪 雅 虽 然 推 进 了 采 用 3C 型 SiC 的 MOSFET 研 发, 但 该 公 司 并 不 打 算 销 售 元 件 只 计 划 销 售 3C 型 SiC 基 板 研 发 MOSFET 是 为 了 证 明 3C 型 SiC 的 有 用 性, 以 便 扩 大 SiC 基 板 的 销 量 图 2 : 采 用 双 沟 道 构 造 罗 姆 试 制 了 导 通 电 阻 较 小 的 沟 道 型 SiC 制 MOSFET 采 用 在 栅 极 和 源 极 形 成 沟 道 的 双 沟 道 构 造, 减 缓 了 电 场 向 栅 极 的 集 中 现 象 ( 本 图 根 据 罗 姆 的 资 料 制 作 ) 28 29

18 第 二 章 新 一 代 功 率 半 导 体 的 开 发 动 向 SiC Bipolar Junction Transistor SiC 制 BJT SiC 双 极 结 型 晶 体 管 (BJT) 方 面, 已 经 公 开 发 布 了 若 干 提 高 电 流 放 大 率 的 研 发 成 果 电 流 放 大 率 越 高, 越 能 以 小 电 流 开 关 BJT, 有 望 缩 小 BJT 控 制 电 路 的 尺 寸 BJT 虽 然 具 有 导 通 电 阻 小 等 优 点, 但 由 于 是 电 流 控 制 型, 存 在 BJT 控 制 电 路 容 易 增 大 的 课 题 其 中, 计 划 面 向 车 载 用 途 实 现 大 电 流 化 的 本 田 技 术 研 究 所 与 新 电 元 工 业 共 同 公 开 了 50A 产 品 和 100A 产 品 的 开 发 情 况 50A 产 品 的 芯 片 尺 寸 为 0.54cm 2, 有 源 区 域 为 0.25cm 2 室 温 下 的 电 流 放 大 率 为 145,250 时 为 50 耐 压 为 1100V, 导 通 电 阻 为 1.7mΩcm 2 ( 室 温 ) 100A 产 品 的 芯 片 尺 寸 为 cm 2, 有 源 区 域 为 0.5cm 2 室 温 下 的 电 流 放 大 率 为 135,250 时 为 72 耐 压 为 1200V, 导 通 电 阻 在 室 温 下 为 3.5mΩcm 2,250 时 为 6.6mΩcm 2 京 都 大 学 的 研 发 小 组 试 制 出 了 电 流 放 大 率 ( 室 温 时 ) 大 幅 超 过 本 田 技 术 研 究 所 为 257 和 335 的 SiC 制 BJT( 图 1) 通 过 使 室 温 下 的 电 流 放 大 率 超 过 200, 在 200 等 高 温 时 也 有 望 实 现 100 以 上 ( 京 都 大 学 ) 的 放 大 率 该 技 术 考 虑 用 于 光 伏 发 电 系 统 的 功 率 调 节 器 电 动 汽 车 用 动 力 控 制 单 元 及 工 业 设 备 的 逆 变 器 装 置 等 京 都 大 学 主 要 通 过 三 种 方 法 将 电 流 放 大 率 提 高 到 了 257( 图 2) 另 外, 通 过 改 变 形 成 BJT 使 用 的 SiC 的 结 晶 面, 将 电 流 放 大 率 提 高 到 了 335 今 后 的 开 发 重 点 是 提 高 耐 压 降 低 成 本 确 保 可 靠 性 等 电 流 放 大 率 为 335 的 BJT SiO 2 的 钝 化 膜 基 极 SiC 发 射 极 层 改 善 钝 化 膜 和 基 础 层 的 界 面 状 态, 抑 制 复 合 电 流 放 大 率 电 流 放 大 率 为 257 的 BJT 改 善 发 射 极 层 和 基 础 层 的 界 面 状 态 p SiC 基 础 层 SiC 集 电 极 层 SiC 基 板 集 电 极 抑 制 基 础 层 内 部 点 缺 陷 造 成 的 复 合 集 电 极 电 流 (A) 图 1: 电 流 放 大 率 超 过 200 京 都 大 学 试 制 的 BJT 的 电 流 放 大 率 ( 本 图 根 据 京 都 大 学 的 资 料 制 作 ) 图 2 : 通 过 三 种 方 法 提 高 电 流 放 大 率 电 流 放 大 率 的 提 高 主 要 通 过 以 下 三 种 方 法 实 现 : 改 善 钝 化 膜 和 基 础 层 的 界 面 状 态 减 少 发 射 极 层 和 基 础 层 界 面 的 杂 质 等 抑 制 基 础 层 内 部 点 缺 陷 造 成 的 复 合 ( 本 图 根 据 京 都 大 学 的 资 料 制 作 ) 30 31

19 第 二 章 新 一 代 功 率 半 导 体 的 开 发 动 向 SiC Module SiC 模 块 要 想 最 大 限 度 发 挥 新 一 代 功 率 半 导 体 的 实 力, 封 装 技 术 也 至 关 重 要 除 封 装 材 料 和 接 合 材 料 的 耐 热 温 度 外, 还 存 在 散 热 能 力 等 技 术 方 面 的 课 题 进 入 2012 年 后, 解 决 了 上 述 课 题 的 SiC 模 块 开 始 产 品 化 罗 姆 2012 年 3 月 开 始 量 产 采 用 SiC 晶 体 管 和 二 极 管 的 全 SiC 功 率 模 块 虽 然 之 前 也 有 二 极 管 采 用 SiC 的 产 品, 但 连 晶 体 管 也 使 用 SiC 的 模 块 此 次 还 是 全 球 首 次 ( 罗 姆 ) 投 产 全 SiC 模 块 与 采 用 Si 制 IGBT 的 功 率 模 块 相 比, 可 将 开 关 损 失 降 低 85% 另 外, 可 实 现 100kHz 以 上 的 高 速 开 关 开 关 频 率 可 高 达 Si 制 IGBT 模 块 的 10 倍 以 上 全 SiC 量 产 模 块 最 初 只 有 额 定 电 压 为 1200V 额 定 电 流 为 100A 的 一 款 产 品 据 罗 姆 介 绍, 虽 然 额 定 电 流 为 100A, 但 通 过 高 速 开 关 和 低 损 耗 化, 可 以 替 换 额 定 电 流 为 200 ~ 400A 的 Si 制 IGBT 模 块 替 换 400A 级 的 Si 制 IGBT 模 块 时, 估 计 可 将 体 积 削 减 约 50% 三 菱 电 机 也 从 2012 年 7 月 开 始 陆 续 供 货 SiC 模 块 的 样 品 该 公 司 此 前 一 直 在 该 公 司 的 空 调 和 铁 路 车 辆 用 功 率 模 块 中 采 用 SiC 功 率 元 件 此 次 首 次 ( 三 菱 电 机 ) 对 外 销 售 SiC 功 率 模 块 新 产 品 共 有 5 款,3 款 用 于 耐 压 为 600V 的 家 电 产 品, 剩 余 2 款 用 于 耐 压 为 1200V 的 工 业 设 备 其 中 各 有 一 款 为 全 SiC 模 块 (a) 全 SiC 功 率 模 块 (c) 功 率 模 块 的 概 要 (b) 功 率 模 块 的 电 路 图 额 定 电 压 额 定 电 流 开 关 频 率 1200V 100A 100kHz 以 上 SiC 制 SBD SiC 制 SBD 外 形 尺 寸 122mm 46mm 17mm( 不 包 含 端 子 ) 价 格 IGBT 模 块 的 3 ~ 5 倍 量 产 数 量 未 公 开 ( 京 都 量 产 基 地 的 模 块 产 能 为 月 产 数 千 个 ) SiC 制 MOSFET SiC 制 MOSFET 全 SiC 功 率 模 块 开 始 量 产 罗 姆 配 备 SiC 制 SBD 和 MOSFET 的 全 SiC 功 率 模 块 的 额 定 电 压 为 1200V, 额 定 电 流 为 100A ( 照 片 :(a) 罗 姆 ) 32 33

20 第 二 章 新 一 代 功 率 半 导 体 的 开 发 动 向 GaN Power Devices GaN 功 率 元 件 GaN 功 率 元 件 的 产 品 化 此 前 存 在 三 大 课 题 首 先 是 (1) 难 以 降 低 成 本 以 往 可 用 于 GaN 功 率 元 件 的 基 板 直 径 小, 价 格 高 其 次 是 (2) 电 气 特 性 不 足 GaN 虽 然 具 备 出 色 的 材 料 特 性, 但 用 于 功 率 元 件 后, 在 电 气 特 性 方 面 反 而 不 如 Si 功 率 元 件 第 三 是 (3) 可 发 挥 GaN 功 率 元 件 特 点 的 周 边 技 术 的 研 发 进 展 缓 慢 例 如, 此 前 没 有 驱 动 GaN 晶 体 管 的 专 用 栅 极 驱 动 IC 因 此, 需 要 利 用 离 散 元 件 构 成 栅 极 驱 动 电 路 现 在 这 种 情 况 已 经 逐 步 改 观 ( 图 1) ( 1 ) 的 成 本 方 面,GaN 功 率 元 件 的 成 本 不 断 降 低, 通 过 利 用 低 价 位 大 直 径 的 Si 基 板, 已 有 望 实 现 与 Si 功 率 元 件 相 当 的 价 格 Si 基 板 可 以 使 用 6 英 寸 以 上 的 大 直 径 产 品 (2) 的 电 气 特 性 也 得 到 了 大 幅 提 高 电 气 特 性 不 如 Si 功 率 元 件 的 问 题 已 经 基 本 有 望 解 决 例 如, 抑 制 了 工 作 时 导 通 电 阻 上 升 的 电 流 崩 塌 现 象 提 高 了 耐 压 等 POWDEC 公 司 通 过 在 栅 极 和 漏 极 间 添 加 无 掺 杂 GaN 层 和 p 型 GaN 层, 抑 制 了 电 流 崩 塌 现 象 的 出 现 ( 图 2) 该 公 司 已 确 认, 在 蓝 宝 石 基 板 上 确 保 了 1.1kV 的 耐 压, 而 且 基 本 没 出 现 (POWDEC) 因 电 流 崩 塌 造 成 的 导 通 电 阻 上 升 通 过 这 些 措 施,2011 年 下 半 年 至 2012 年 上 市 的 600V 耐 压 产 品 可 将 因 电 流 崩 塌 而 上 升 的 导 通 电 阻 值 抑 制 在 1.1 ~ 1.3 倍 左 右 也 有 产 品 的 耐 压 水 平 为 200V 以 下, 但 在 研 发 时 超 过 1kV 的 产 品 新 一 代 功 率 元 件 技 术 研 究 协 会 发 布 了 耐 压 高 达 1.7kV 的 GaN 功 率 元 件 ( 图 3) 电 气 特 性 提 高 可 常 开 作 提 高 耐 压 抑 制 电 流 崩 塌 等 成 本 降 低 有 了 眉 目 采 用 直 径 为 5 ~ 6 寸 的 Si 基 板 GaN 功 率 元 件 周 边 技 术 用 动 IC 相 对 得 展 图 1:GaN 功 率 元 件 的 课 题 逐 渐 解 决 GaN 功 率 元 件 的 三 大 课 题 正 在 逐 步 得 到 解 决 成 本 降 低 已 有 了 眉 目 ; 电 气 特 性 得 到 了 提 高 ; 利 用 GaN 功 率 元 件 所 需 的 周 边 技 术 也 在 逐 渐 确 立 之 中 加 载 电 压 的 元 件 导 通 电 阻 ( mm) 原 的 元 件 构 造 此 的 元 件 构 造 电 压 ( 时 的 漏 极 电 压 )(V) 图 2 : 抑 制 电 流 崩 塌 POWDEC 通 过 在 栅 极 和 漏 极 间 添 加 无 掺 杂 GaN 层 和 p 型 GaN 层, 在 提 高 耐 压 的 同 时 抑 制 了 电 流 崩 塌 该 元 件 构 造 不 容 易 发 生 电 场 集 中, 能 减 少 漏 电 子, 因 此 可 抑 制 电 流 崩 塌 ( 本 图 根 据 POWDEC 的 资 料 制 作 ) 34 35

21 第 二 章 新 一 代 功 率 半 导 体 的 开 发 动 向 这 是 通 过 将 外 延 层 整 体 的 厚 度 增 至 7.3μm 将 无 掺 杂 GaN 层 的 厚 度 减 薄 至 50nm 以 及 设 置 碳 掺 杂 GaN 层 等 措 施 综 合 实 现 的 源 的 尺 寸 另 外, 罗 姆 还 计 划 利 用 其 高 速 开 关 特 性, 开 拓 无 线 供 电 系 统 等 新 应 用 松 下 开 发 出 了 可 实 现 2.2kV 耐 压 的 元 件 技 术 通 过 在 Si 基 板 表 面 附 近 设 置 p 型 层, 减 轻 了 向 漏 极 加 载 正 电 压 时,Si 基 板 和 GaN 界 面 产 生 的 反 转 层 漏 电 流 ( 图 4) 由 此, G a N 外 延 层 能 以 1. 9 μ m 的 厚 度 实 现 2.2kV 的 耐 压 利 用 该 构 造, 还 有 望 实 现 3kV 以 上 的 耐 压 (3) 中 提 到 的 能 发 挥 GaN 功 率 元 件 特 点 的 周 边 外 层 加 7.3 m 源 极 无 掺 杂 GaN 栅 极 SiO 2 AlGaN 缓 层 Si 基 板 无 掺 杂 GaN 层 减 50 m 漏 极 掺 杂 GaN 技 术 也 在 逐 渐 改 进 在 常 开 工 作 的 GaN 功 率 元 件 中, 有 的 元 件 能 向 栅 极 加 载 的 电 压 范 围 很 小 比 如 EPC 公 司 的 100V 耐 压 产 品 的 栅 极 电 压 范 围 为 5~+6V, 小 于 相 同 耐 压 的 MOSFET 的 20 ~ +2 0 V 范 围 因 此, 基 本 无 法 向 栅 极 加 载 大 电 压 为 此, 美 国 国 家 半 导 体 开 发 的 栅 极 驱 动 IC 配 备 了 不 向 栅 极 加 载 大 电 压 的 保 护 功 能 图 3 : 实 现 1.7kV 耐 压 新 一 代 功 率 元 件 技 术 研 究 协 会 开 发 出 了 耐 压 高 达 1.7kV 的 常 开 型 GaN 功 率 元 件 源 极 栅 极 漏 极 设 置 掺 杂 GaN 层 提 高 电 阻 此 外, 还 有 公 司 在 研 究 实 现 高 迁 移 率 的 HEMT p 型 反 转 层 p 型 ( 高 电 子 迁 移 率 晶 体 管 ) 构 造 GaN 半 导 体 元 件 的 可 能 性 罗 姆 从 2012 年 开 始 开 发 以 应 用 为 前 提 的 HEMT 构 造 GaN 半 导 体 元 件 通 过 提 高 开 关 速 度 缩 小 平 滑 电 路 电 容 器 和 线 圈 的 尺 寸, 可 减 小 开 关 电 Si 基 板 图 4 : 抑 制 漏 电 流, 提 高 耐 压 松 下 通 过 在 Si 基 板 表 面 附 近 设 置 p 型 层, 提 高 了 GaN 功 率 元 件 的 耐 压 原 因 是, 向 漏 极 加 载 正 电 压 时, 可 抑 制 Si 基 板 和 GaN 界 面 产 生 的 反 转 层 漏 电 流 ( 本 图 根 据 松 下 的 资 料 制 作 ) 36 37

22 第 二 章 新 一 代 功 率 半 导 体 的 开 发 动 向 Gallium Oxide 氧 化 镓 与 作 为 新 一 代 功 率 半 导 体 材 料 推 被 进 开 发 的 SiC 和 GaN 相 比, 有 望 以 低 成 本 制 造 高 耐 压 低 损 耗 的 功 率 半 导 体 元 件 而 备 受 瞩 目 的 是 氧 化 镓 材 料 中 的 一 种 β 型 Ga 2 O 3 受 关 注 的 契 机 是 日 本 信 息 通 信 研 究 机 构 (NICT) 与 田 村 制 作 所 光 波 公 司 共 同 试 制 的 β 型 Ga 2 O 3 晶 体 管 ( 图 1) 该 晶 体 管 来 自 NEDO 的 节 能 革 新 技 术 开 发 业 务 中 超 高 耐 压 氧 化 镓 功 率 器 件 研 究 开 发 项 目, 基 板 制 作 由 田 村 制 作 所 和 光 波 负 责, 外 延 层 的 形 成 由 京 都 大 学 东 京 工 业 大 学 和 田 村 制 作 所 负 责,NICT 负 责 工 艺 试 制 的 晶 体 管 为 栅 极 采 用 肖 特 基 结 性 金 属 的 MESFET (metal-semiconductor field effect transistor) 尽 管 是 没 有 形 成 保 护 膜 ( 钝 化 膜 ) 的 非 常 简 单 的 构 造, 但 耐 压 高 达 257V, 漏 电 流 小 到 只 有 5μA/mm 超 过 SiC 和 GaN 之 所 以 能 比 SiC 和 GaN 实 现 耐 压 高 损 耗 低, 是 因 为 Ga 2 O 3 的 性 能 比 这 两 种 材 料 都 出 色 ( 图 2) 其 中, 带 隙 和 绝 缘 破 坏 电 场 尤 其 大 Ga 2 O 3 中, 化 学 性 较 稳 定 的 是 β 型, 其 带 隙 为 4.8 ~ 4.9eV, 是 Si 的 4 倍 以 上, 也 高 于 3.3eV 的 SiC 和 3.4eV 的 GaN 绝 缘 破 坏 电 场 为 8MV/cm 左 右, 相 当 于 Si 的 20 倍 以 上 SiC 和 GaN 的 2 倍 以 上 因 此, 就 理 论 而 言, 制 作 相 同 耐 压 的 单 极 性 功 率 元 件 时,β 型 G a 2 O 3 比 SiC 和 GaN 更 能 降 低 导 通 电 阻 通 过 降 低 导 通 电 阻, 可 减 小 电 源 电 路 的 电 力 损 失 (a) 试 制 品 的 原 理 图 (b) 试 制 品 的 电 气 特 性 Ti/A Pt/Ti/A Ti/A 源 极 栅 极 漏 极 耐 压 漏 极 时 的 漏 电 流 257V 3 A(5 A/mm) 掺 杂 S 的 型 Ga 2O 3 ( 为 300 m) 漏 电 流 的 导 通 / 比 10 4 掺 杂 Mg 的 β 型 Ga 2O 3 基 板 (010) 导 的 大 1.4mS(2.3mS/mm) 图 1 : 用 β 型 G a 2 O 3 试 制 晶 体 管 NICT 等 利 用 β 型 Ga 2 O 3 试 制 了 晶 体 管 ( a ) 虽 然 构 造 简 单, 但 耐 压 高 达 V( b ) 38 39

23 第 二 章 新 一 代 功 率 半 导 体 的 开 发 动 向 Ga 2 O 3 的 耐 压 方 面 也 有 望 超 过 SiC 例 如, 利 用 形 成 了 保 护 膜 设 置 有 缓 解 电 场 向 栅 极 集 中 的 场 板 的 单 极 性 晶 体 管, 有 望 实 现 3k ~ 4kV 的 耐 压 ( N I C T ) 基 板 的 制 造 方 法 可 利 用 FZ(floating zone) 法 和 EFG(edge-defined film-fed growth) 法 等 溶 液 生 长 法, 这 也 是 Ga 2 O 3 的 特 点 溶 液 生 长 法 适 合 以 低 成 本 量 产 结 晶 缺 陷 少 直 径 大 的 基 板 实 际 上, 制 造 蓝 色 LED 芯 片 所 使 用 的 蓝 宝 石 基 板 就 是 利 用 FZ 法 和 EFG 法 制 造 的 蓝 宝 石 基 板 不 仅 便 宜 而 且 结 晶 缺 陷 少, 大 尺 寸 产 品 的 直 径 达 到 了 6 ~ 8 英 寸 而 SiC 基 板 和 GaN 基 板 为 利 用 气 相 法 制 造, 所 以 难 以 降 低 结 晶 缺 陷 和 实 现 大 直 径 化 此 次 试 制 的 晶 体 管 使 用 的 Ga 2 O 3 基 板 就 是 采 用 FZ 法 制 作 的, 但 外 形 尺 寸 尚 小, 只 有 6mm 4mm 不 过 NICT 认 为, 将 来 直 径 为 6 英 寸 的 Ga 2 O 3 基 板 有 望 以 1 万 日 元 左 右 的 成 本 制 造 SiC 基 板 是 无 法 做 到 如 此 便 宜 的 Ga 2 O 3 蕴 含 着 巨 大 的 潜 力, 研 究 开 发 目 前 也 才 刚 刚 全 面 展 开 试 制 的 晶 体 管, 在 耐 压 输 出 电 流 及 电 流 的 导 通 截 止 比 等 方 面 都 还 达 不 到 要 求, 而 且 漏 电 流 也 比 较 大 另 外 还 存 在 如 何 实 现 常 开 工 作 状 态 等 课 题 据 NICT 介 绍, 当 前 的 目 标 是 在 2015 年 之 前 利 用 Ga 2 O 3 制 造 直 径 为 4 英 寸 的 基 板 和 MOSFET, 计 划 2020 年 之 前 开 始 作 为 功 率 元 件 进 行 小 规 模 量 产 ( a ) 参 数 比 较 (b) 耐 压 与 导 通 电 阻 的 关 系 材 料 β 型 Ga 2 O 3 Si SiC(4H 型 ) GaN 金 刚 石 GaN 带 隙 (ev) 4.8 ~ 迁 移 率 (cm 2 /Vs) 300( 推 测 ) 绝 缘 破 坏 电 场 (MV/cm) 8( 推 测 ) 相 对 介 电 常 数 Baliga 性 能 指 数 (εµe 3 c ) 导 通 电 阻 ( m c m 2 ) Si S i C( 4 H 型 ) β 型 Ga 2O 3 金 刚 石 图 2 : 材 料 特 性 比 SiC 和 GaN 出 色 β 型 Ga 2 O 3 的 带 隙 和 绝 缘 破 坏 电 场 尤 其 大, 低 损 耗 性 指 标 Baliga 性 能 指 数 较 高 (a) 因 此, 制 造 相 同 耐 压 的 功 率 元 件 时,β 型 Ga 2 O 3 比 GaN 和 SiC 更 易 降 低 导 通 电 阻 (b) ( 本 图 根 据 信 息 通 信 研 究 机 构 等 的 资 料 制 作 ) 耐 压 ( V ) 40 41

24 第 三 章 新 一 代 功 率 半 导 体 的 应 用 事 例 Automobile 汽 车 SiC 功 率 半 导 体 有 望 使 混 合 动 力 车 纯 电 动 汽 车 和 燃 料 电 池 车 等 电 动 汽 车 的 逆 变 器 和 DC-DC 转 换 器 等 驱 动 系 统 大 幅 实 现 小 型 轻 量 化 因 此, 汽 车 厂 商 都 对 SiC 功 率 半 导 体 寄 予 了 厚 望 Si 变 为 SiC, 同 时 采 用 自 主 开 发 的 内 部 构 造 降 低 了 元 件 内 部 的 电 阻, 从 而 抑 制 了 电 力 损 失 另 外, 通 过 改 进 逆 变 器 模 块 内 的 布 线, 减 小 了 模 块 整 体 的 电 阻, 发 热 量 较 原 产 品 降 低 了 68% 丰 田 的 技 术 人 员 在 一 场 演 讲 会 上 公 开 表 达 了 对 SiC 的 期 待, 他 所 强 调 的 SiC 功 率 元 件 的 优 点 之 一 是 能 够 实 现 功 率 模 块 的 小 型 化 以 IPM(Intelligent Power Module) 为 例, 估 计 利 用 SiC 功 率 元 件, 体 积 可 缩 小 至 Si 功 率 元 件 的 2/3 ~ 1/3 试 制 的 逆 变 器 体 积 为 0.5L, 输 出 密 度 为 60kW/ L 是 在 输 出 功 率 为 30kW 时 得 到 的 数 值 此 时, 功 率 元 件 的 温 度 约 为 180 构 成 逆 变 器 的 器 件 除 了 配 备 SiC 功 率 元 件 的 模 块 外, 还 包 括 驱 动 SiC 功 率 元 件 的 控 制 电 路 散 热 片 冷 却 扇 以 及 电 容 器 等 另 外, 通 过 利 用 SiC 功 率 元 件 提 高 开 关 频 率, 还 可 以 削 减 电 容 和 电 抗 的 体 积 比 如, 与 利 用 Si 功 率 元 件 时 相 比, 开 关 频 率 提 高 8 倍 时, 电 容 的 体 积 仍 可 缩 小 至 20 ~ 30%, 电 抗 则 可 缩 小 至 25% 左 右 三 菱 电 机 开 发 出 了 使 逆 变 器 和 马 达 在 同 一 轴 上 一 体 化 的 电 动 汽 车 用 马 达 系 统 ( 图 2), 输 出 功 率 为 70kW 级 与 该 公 司 以 往 开 发 的 逆 变 器 和 马 达 相 互 分 离 的 系 统 相 比, 体 积 减 小 了 一 半 通 过 实 现 一 体 化, 企 业 竞 相 开 发 为 满 足 汽 车 厂 商 的 需 求, 多 家 企 业 正 在 竞 相 开 发 电 动 汽 车 用 逆 变 器 例 如 电 装 就 在 汽 车 技 术 展 会 人 与 车 科 技 展 2012 (2012 年 5 月 23 ~ 25 日 ) 上 展 出 了 输 出 功 率 密 度 高 达 60kW/L 的 逆 变 器, 并 公 开 了 性 能 参 数 ( 图 1) 这 是 电 装 与 丰 田 和 丰 田 中 央 研 究 所 的 共 同 研 发 成 果 电 装 试 制 的 逆 变 器 将 功 率 半 导 体 材 料 由 原 来 的 图 1 : 电 装 试 制 的 逆 变 器 左 为 试 制 品, 右 为 放 入 箱 内 后 的 产 品 示 意 图 42 43

25 第 三 章 新 一 代 功 率 半 导 体 的 应 用 事 例 不 但 可 以 缩 短 逆 变 器 与 马 达 间 的 布 线 距 离, 还 能 整 合 以 往 逆 变 器 和 马 达 需 要 分 别 配 置 的 水 冷 却 管 重 量 减 轻 了 约 10% 一 体 化 的 最 大 课 题 是 如 何 抑 制 发 热 ( 三 菱 电 机 ) 马 达 和 逆 变 器 都 是 巨 大 的 发 热 源, 为 此, 三 菱 电 机 不 但 提 高 了 冷 却 性 能, 还 针 对 二 者 分 别 采 取 了 发 热 对 策 比 如, 马 达 改 进 了 磁 设 计, 逆 变 器 采 用 了 SiC 功 率 元 件 通 过 采 用 SiC 功 率 元 件, 逆 变 器 的 损 失 较 采 用 Si 功 率 元 件 的 原 产 品 减 少 了 一 半 三 菱 电 机 计 划 首 先 于 2014 年 投 产 采 用 SiC 功 率 元 件 的 逆 变 器, 以 及 马 达 单 独 配 置 的 电 动 汽 车 用 马 达 系 统 此 外, 罗 姆 和 安 川 电 机 也 共 同 试 制 了 面 向 电 动 汽 车 的 行 驶 系 统 ( 图 3) 该 系 统 由 马 达 及 其 驱 动 部 分 构 成 特 点 是, 通 过 在 驱 动 部 采 用 罗 姆 的 SiC 功 率 元 件, 使 驱 动 部 分 和 马 达 实 现 了 一 体 化 线 圈 切 换 部 逆 变 器 以 及 配 备 栅 极 驱 动 IC 和 MCU 等 的 控 制 器 部 分 与 马 达 部 分 组 合 在 了 一 起 而 使 用 Si 功 率 元 件 时, 马 达 部 分 和 驱 动 部 分 是 相 互 分 离 的 此 次 试 制 的 行 驶 系 统 以 安 川 电 机 已 经 投 产 的 电 动 汽 车 行 驶 系 统 QMET 为 基 础, 因 采 用 了 SiC 功 率 元 件, 所 以 称 为 SiC-QMET SiC 功 率 元 件 利 用 罗 姆 开 发 的 沟 道 型 MOSFET 和 SBD 图 2 : 三 菱 电 机 的 逆 变 器 一 体 型 马 达 系 统 与 逆 变 器 和 马 达 相 互 分 离 的 原 系 统 相 比, 体 积 减 小 了 一 半 图 3 : 罗 姆 和 安 川 电 机 试 制 的 行 驶 系 统 线 圈 切 换 部 逆 变 器 部 配 备 栅 极 驱 动 IC 和 MCU 等 的 控 制 器 部 的 三 部 分 与 马 达 部 分 实 现 了 一 体 化 44 45

26 第 三 章 新 一 代 功 率 半 导 体 的 应 用 事 例 Car Audio System 车 载 音 响 从 事 高 级 车 载 音 响 业 务 的 Bewith 公 司 在 第 42 届 东 京 车 展 ( 公 众 开 放 日 :2011 年 12 月 3 ~ 11 日 ) 上, 演 示 了 采 用 SiC 制 SBD 功 率 放 大 器 A-110S II 的 车 载 音 响 Bewith 在 标 致 308CC 和 梅 赛 德 斯 奔 驰 SLR Mclaren Road Star 的 后 备 箱 部 分 分 别 配 备 了 多 台 这 种 功 率 放 大 器, 实 现 了 出 色 的 音 质 效 果 ( 图 1,2) 因 为 噪 声 小 音 质 清 晰, 能 够 实 现 静 谧 与 空 灵 的 声 音 无 论 是 哪 种 类 型 的 音 乐 都 能 无 限 接 近 原 声 ( B e w i t h ) A-110S II 配 备 的 SiC 制 SBD 由 新 日 本 无 线 与 Bewith 共 同 开 发 把 两 个 名 为 BD01 的 SiC 制 SBD 用 在 了 向 A-110S II 的 放 大 器 电 路 供 电 的 电 源 线 路 中 只 需 替 代 过 去 使 用 的 Si 制 SBD, 即 可 实 现 稳 定 供 电 因 放 大 器 电 路 工 作 稳 定, 所 以 提 高 了 音 质 新 日 本 无 线 介 绍 说, 实 现 稳 定 供 电 的 理 由 大 致 有 两 点 一 是 与 使 用 Si 制 SBD 相 比, 反 向 恢 复 时 间 控 制 到 了 约 1/3, 反 向 恢 复 电 流 控 制 到 了 约 1/4, 因 此 能 够 实 现 高 速 开 关 电 源 对 音 量 变 化 等 负 载 变 化 的 追 随 性 得 到 提 升 二 是 SiC 结 晶 中 的 缺 陷 减 少, 降 低 了 缺 陷 带 来 的 漏 电 流 等 因 素 通 常 缺 陷 导 致 的 漏 电 流 存 在 时, 电 源 线 路 的 白 噪 声 就 会 增 大 图 1: 标 致 308CC 的 后 备 箱 配 备 的 功 率 放 大 器 功 率 放 大 器 使 用 的 SiC 制 SBD 由 新 日 本 无 线 与 Bewith 共 同 开 发 图 2 : 梅 赛 德 斯 奔 驰 SLR Mclaren Road Star 的 后 备 箱 配 备 的 功 率 放 大 器 通 过 采 用 SiC 制 SBD, 功 放 电 路 工 作 稳 定, 有 利 于 提 高 音 质 46 47

27 第 三 章 新 一 代 功 率 半 导 体 的 应 用 事 例 Railway 铁 路 SiC 功 率 半 导 体 以 铁 路 应 用 为 核 心 展 开 了 激 烈 的 开 发 竞 争 ( 图 1) 最 先 进 行 开 发 的 是 三 菱 电 机 该 公 司 于 2011 年 10 月 宣 布 投 产 配 备 SiC 制 SBD 的 逆 变 器 装 置 主 要 用 于 铁 路 车 辆 的 马 达 现 在 该 产 品 已 经 配 备 于 东 京 地 铁 银 座 线 01 系 的 部 分 车 辆 继 三 菱 电 机 之 后 的 是 东 芝 东 芝 2011 年 12 月 发 布 了 采 用 SiC 制 SBD 的 逆 变 器 装 置 三 菱 电 机 和 东 芝 的 逆 变 器 装 置 均 采 用 额 定 电 压 为 1700V 的 功 率 模 块, 面 向 架 线 电 压 为 直 流 600/750V 的 铁 路 之 后, 日 立 制 作 所 于 2012 年 4 月 发 布 了 面 向 直 流 电 压 为 1500V 的 架 线, 采 用 额 定 电 压 高 达 3300V 的 SiC 制 SBD 功 率 模 块 的 逆 变 器 装 置 SiC 在 铁 路 领 域 开 始 崭 露 头 角 的 理 由 主 要 有 四 个 第 一, 可 降 低 铁 路 车 辆 系 统 的 电 力 损 失 例 如, 据 三 菱 电 机 估 算, 与 采 用 Si 二 极 管 时 相 比, 铁 路 车 辆 系 统 整 体 的 电 力 损 失 可 降 低 约 30% 第 二, 逆 变 器 装 置 本 身 可 实 现 小 型 轻 量 化 这 是 因 为, 由 于 发 热 减 少, 冷 却 机 构 等 可 小 型 化 三 菱 电 机 认 为, 采 用 SiC 制 SBD 可 将 逆 变 器 装 置 的 体 积 和 重 量 削 减 约 40% 第 三,Si 二 极 管 的 性 能 提 高 余 地 越 来 越 小 ( 多 位 功 率 元 件 技 术 人 员 ) 原 因 是, 与 晶 体 管 相 比, 二 极 管 的 构 造 比 较 简 单 通 过 将 材 料 换 为 SiC, 二 极 管 的 性 能 提 高 余 地 大 幅 增 加 第 四, 适 合 铁 路 领 域 以 长 期 使 用 为 前 提 的 成 本 回 收 模 式 以 前, 虽 然 SiC 比 Si 特 性 出 色 而 备 受 关 注, 但 由 于 功 率 元 件 的 成 本 高, 只 有 部 分 产 品 采 用 而 铁 路 领 域 用 途, 即 使 导 入 成 本 稍 高, 如 果 长 期 而 言 能 够 削 减 使 用 成 本, 就 容 易 得 到 采 用 三 菱 电 机 三 菱 电 机 东 芝 东 芝 日 立 制 作 所 日 立 制 作 所 所 配 备 的 功 率 模 块 的 所 配 能 备 的 功 率 模 块 的 能 额 定 电 压 为 1700V 额 定 电 压 为 1700V 同 1700V 额 定 电 为 1200 额 定 电 为 1200 同 1200 同 1700V 同 1200 同 3300V 同 1200 同 3300V 同 1200 图 1: 利 用 SiC 的 逆 变 器 不 断 推 出 三 菱 电 机 东 芝 和 日 立 制 作 所 分 别 开 发 出 了 配 备 SiC 二 极 管 的 逆 变 器 装 置 三 菱 电 机 和 东 芝 的 开 发 品 额 定 电 压 为 1700V, 日 立 制 作 所 的 开 发 品 额 定 电 压 高 达 3300V ( 照 片 : 中 为 东 芝 提 供, 右 为 日 立 制 作 所 提 供 ) 48 49

28 第 三 章 新 一 代 功 率 半 导 体 的 应 用 事 例 开 关 损 失 减 少 这 四 个 理 由 中 份 量 最 重 的 是 电 力 损 失 的 降 低 ( 图 2) 铁 路 车 辆 系 统 的 损 失 降 低 的 理 由 是,(1) 逆 变 器 装 置 的 开 关 损 失 降 低 (2) 再 生 时 可 回 收 的 电 力 增 加 (3) 马 达 本 身 的 损 失 降 低 首 先,(1) 可 通 过 利 用 SiC 制 SBD 降 低 开 关 损 失 SiC 制 SBD 在 开 关 时 的 响 应 性 优 于 Si 二 极 管, 因 此 三 菱 电 机 认 为,IGBT 接 通 时 的 电 力 损 失 可 削 减 约 55%, 二 极 管 的 开 关 损 失 可 削 减 约 95% 其 次,(2) 可 回 收 的 电 力 方 面, 只 通 过 再 生 制 动 便 可 获 得 制 动 力 的 车 辆 速 度 范 围 扩 大, 因 此 能 增 加 可 回 收 电 力 例 如, 三 菱 电 机 以 前 的 铁 路 车 辆 系 统 在 时 速 超 过 35k ~ 40km 时, 会 同 时 启 动 机 械 式 制 动 器 和 再 生 制 动 器 因 为 如 果 只 利 用 再 生 制 动 器, Si 功 率 元 件 的 损 失 会 增 大, 从 而 导 致 元 件 的 接 合 温 度 迅 速 上 升, 甚 至 可 能 会 超 过 容 许 温 度 范 围 而 如 果 是 SiC 功 率 元 件, 因 其 容 许 温 度 比 Si 高, 所 以 在 时 速 为 70km 时 也 能 只 使 用 再 生 制 动 器 通 过 再 生 获 得 的 电 力 能 增 至 2 倍 ( 三 菱 电 机 ) 通 过 采 用 SiC 功 率 半 导 体 器 件, 还 有 助 于 (3) 中 提 及 的 降 低 马 达 损 失 比 如, 使 用 感 应 马 达 时, 能 够 进 行 高 频 开 关 驱 动, 使 得 流 经 马 达 的 电 流 波 形 接 近 正 弦 波 仅 此 一 举, 感 应 马 达 的 损 失 就 能 降 低 约 40% ( 三 菱 电 机 ) ( ) 电 力 损 失 的 比 ( ) 再 生 制 动 器 利 用 范 围 的 比 电 力 损 失 ( 相 ) 机 制 动 器 马 达 逆 变 器 力 采 用 Si 功 率 元 件 的 铁 路 车 辆 系 统 采 用 SiC 制 SBD 的 铁 路 车 辆 系 统 电 力 损 失 降 低 约 30% 再 生 电 力 再 生 制 动 力 采 用 Si 功 率 元 件 的 逆 变 器 装 置 所 需 制 动 力 元 件 损 失 增 大, 仅 利 用 再 生 制 动 器 变 得 再 生 电 力 再 生 制 动 力 采 用 SiC 制 SBD 的 逆 变 器 装 置 所 需 制 动 力 可 通 过 再 生 制 动 器 的 电 力 增 加 图 2 : 可 降 低 电 力 损 失 据 三 菱 电 机 估 算, 利 用 SiC 制 SBD 的 铁 路 车 辆 系 统 与 利 用 Si 功 率 元 件 时 相 比, 电 力 损 失 可 降 低 约 30% 另 外, 仅 利 用 再 生 制 动 器 即 可 获 得 所 需 制 动 力 的 速 度 范 围 扩 大, 因 此 能 增 加 再 生 电 力 ( 本 图 根 据 三 菱 电 机 的 资 料 制 作 ) 3 0 约 70 速 度 ( h ) 3 0 约 70 速 度 ( h ) 50 51

29 第 三 章 新 一 代 功 率 半 导 体 的 应 用 事 例 Photovoltaic System 光 伏 发 电 系 统 三 菱 电 机 还 利 用 SiC 制 MOSFET 和 SBD 试 制 了 用 于 太 阳 能 电 池 的 功 率 调 节 器 ( 图 1) 该 功 率 调 节 器 的 作 用 是, 高 效 提 取 太 阳 能 电 池 模 块 发 出 的 电 力, 并 将 其 转 换 成 易 于 使 用 的 电 力 三 菱 电 机 试 制 的 功 率 调 节 器 的 特 点 是, 把 集 成 有 升 压 电 路 和 逆 变 器 电 路 的 功 率 模 块 中 所 使 用 的 功 率 半 导 体 材 料 由 原 来 的 Si 换 成 了 SiC 由 此, 与 该 公 司 采 用 相 同 电 路 构 成 的 利 用 Si 功 率 半 导 体 的 中 端 功 率 调 节 器 PVPN50G1 相 比, 转 换 效 率 提 高 了 2 个 百 分 点, 达 到 了 98% 不 过, 光 把 Si 换 成 SiC 并 不 会 达 到 98%, 其 实 还 改 进 了 AC 电 抗 器 用 部 件 的 材 料 等 虽 然 在 实 际 测 量 中 获 得 了 98.2% 的 转 换 效 率, 但 考 虑 到 测 量 误 差 等 因 素, 发 布 值 为 98%( 图 2) 在 三 菱 电 机 推 出 的 太 阳 能 电 池 用 功 率 调 节 器 中, 最 高 转 换 效 率 目 前 为 97.5% 这 是 通 过 组 合 使 用 Si 功 率 半 导 体 和 分 级 控 制 的 逆 变 器 技 术 实 现 的 而 全 SiC 试 制 品 中 则 没 有 使 用 这 种 分 级 控 制 技 术 现 在, 三 菱 电 机 正 致 力 于 SiC 功 率 半 导 体 与 分 级 控 制 技 术 相 结 合 除 此 之 外, 意 法 半 导 体 还 在 微 型 逆 变 器 的 参 考 机 型 上 配 备 了 SiC 制 SBD 产 品 STPSC806G, 并 实 现 了 95% 以 上 的 电 力 转 换 效 率 微 型 逆 变 器 主 要 用 于 将 功 率 调 节 器 功 能 应 用 于 各 种 太 阳 能 电 池 模 块 电 力 转 换 效 率 (%) SiC Si 电 力 转 换 效 率 提 高 2 个 百 分 点 出 电 力 ( W ) 图 1 : 用 于 光 伏 发 电 的 功 率 调 节 器 三 菱 电 机 利 用 全 SiC 功 率 模 块, 试 制 了 光 伏 发 电 用 功 率 调 节 器 ( 照 片 : 三 菱 电 机 ) 图 2 : 转 换 效 率 为 9 8 % 利 用 SiC 功 率 半 导 体 将 转 换 效 率 提 高 了 2 个 百 分 点, 达 到 98% ( 本 图 根 据 三 菱 电 机 的 资 料 制 作 ) 52 53

30 第 三 章 新 一 代 功 率 半 导 体 的 应 用 事 例 Home Appliance 家 电 产 品 在 家 电 产 品 中, 空 调 已 有 采 用 SiC 制 SBD 的 先 例 三 菱 电 机 2010 年 10 月 下 旬 上 市 的 空 调 雾 峰 MoveEye MSZ-ZW 系 列 的 10 款 机 型 中, 额 定 输 出 功 率 为 2.8kW 和 3.6kW 的 两 款 机 型 的 压 缩 机 逆 变 器 就 采 用 了 SiC 制 SBD( 图 1) 该 公 司 虽 然 没 有 公 布 配 备 机 型 的 量 产 数 量, 不 过 额 定 输 出 功 率 为 2.2kW 至 7.1kW 的 ZW 系 列 整 体 的 月 产 量 计 划 为 2 万 台 采 用 SiC 制 SBD 导 致 的 成 本 增 加 部 分 由 公 司 负 担, 不 会 转 嫁 到 产 品 中 ( 三 菱 电 机 ) 不 过, 节 能 方 面 的 效 果 光 凭 导 入 SiC 制 SBD 是 有 限 的 仅 SiC 制 SBD 只 能 将 逆 变 器 的 电 力 削 减 约 15%, 空 调 整 体 削 减 约 2% ( 三 菱 电 机 ) 要 想 实 现 更 大 的 节 能 效 果 以 及 使 功 率 模 块 大 幅 小 型 化, 需 要 将 产 品 中 的 功 率 半 导 体 全 部 换 成 SiC( 图 2) 为 此, 就 需 要 将 IGBT 换 成 SiC MOSFET 三 菱 电 机 决 定 在 空 调 中 配 备 SiC 制 SBD 的 原 因 与 其 说 是 为 了 节 能 效 果, 不 如 说 是 为 了 SiC 产 业 的 活 性 化 以 及 在 与 其 他 公 司 的 竞 争 中 取 胜 三 菱 电 机 表 示, 目 前,SiC 晶 圆 实 际 上 是 由 美 国 科 锐 垄 断 这 导 致 SiC 晶 圆 的 价 格 居 高 不 下 我 们 如 果 能 打 入 市 场 推 进 SiC 的 实 用 化, 就 可 以 刺 激 其 他 SiC 晶 圆 厂 商 的 参 与 欲 望, 通 过 竞 争 大 幅 降 低 SiC 晶 圆 的 价 格 试 制 无 线 供 电 系 统 家 电 领 域 的 其 他 应 用 案 例 方 面, 罗 姆 2011 年 试 制 出 了 采 用 SiC 功 率 半 导 体 的 无 线 供 电 系 统 该 系 图 1: 在 空 调 中 配 备 SiC 制 SBD 照 片 是 在 部 分 逆 变 器 中 利 用 SiC 制 SBD 的 三 菱 电 机 空 调 雾 峰 MoveEye MSZ- Z W 系 列 图 2 : 逆 变 器 模 块 空 调 配 备 的 逆 变 器 基 板 红 色 虚 线 内 为 安 装 有 SiC 制 SBD 的 逆 变 器 模 块 54 55

31 第 三 章 新 一 代 功 率 半 导 体 的 应 用 事 例 统 采 用 电 场 耦 合 方 式, 在 发 送 端 的 逆 变 器 电 路 中 采 用 了 SiC 制 沟 道 型 MOSFET( 图 3) 由 此, 以 6.78MHz 的 高 开 关 频 率, 使 逆 变 器 获 得 了 高 达 95% 的 转 换 效 率 罗 姆 试 制 的 系 统 可 供 电 50W 左 右 该 公 司 演 示 了 利 用 无 线 供 电 点 亮 墙 壁 上 的 有 机 EL 照 明 器 具 和 桌 上 的 台 灯, 并 为 桌 上 的 智 能 手 机 电 池 充 电 的 情 形 不 过, 该 试 制 系 统 只 是 为 了 宣 传 SiC 功 率 元 件 的 特 点 而 进 行 的 技 术 展 示, 并 不 表 示 罗 姆 将 涉 足 无 线 供 电 系 统 罗 姆 没 有 公 布 无 线 供 电 开 发 企 业 的 详 情 图 3 : 配 备 于 无 线 供 电 系 统 发 送 端 的 逆 变 器 电 路 中 利 用 了 SiC 制 沟 道 型 MOSFET 56

32 NE 手 册 系 列 功 率 半 导 体 发 行 日 经 BP 社 东 京 都 港 区 白 金 NBF Platinum Tower 发 行 日 期 2012 年 9 月 编 辑 日 经 电 子 编 辑 协 助 山 下 胜 己 = 特 约 撰 稿 人 翻 译 日 经 技 术 在 线! 编 辑 部 设 计 制 作 日 经 BP 咨 询 印 刷 图 书 印 刷 赞 助 罗 姆 半 导 体 集 团 日 经 BP 社 2012 未 经 允 许 禁 止 转 载 翻 印 本 书 内 容 Printed in Japan

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