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SiC功率元器件市场动向及罗姆产物的计谋规划

日期: 2019-07-11   

  现现在,无论是工场,病院或者其他中,对某些主要资产的机能或运做的细微变化,机械都能做到比人类更早发觉和识别。基于赛灵思手艺的系统能够连系人工智能.....Xilinx2019年07月25日

  电流上来说,硅产物会跟着电流的增加,损耗越多,效率越来越差,可是碳化硅根基没有变化。总之SiC -SBD的恢复过程几乎不受电流、温度的影响。

  水原先生以二极管和晶体管做了对比。正在二级管中,以硅(Si)做成的肖特基构制电压能够达到250V,而换做碳化硅(SiC)电压则可达到4000V摆布;再来看一下晶体管,此中Si的MOSFET常规来说能够做到900V,水原先生说市场上也有做到1500V的,但特征会差些,而SiC产物电压可达3300V。

  水原先生引见说,碳化硅(SiC)是由1:1的Si(硅)取C(碳)组合而成的一个产品,其特点十分坚硬,以新莫氏硬度划分,钻石为15,SiC可达13。

  下图以Si-MOSFET和SiC-MOSFET的设想来看,水原先生告诉记者,正在栅极和漏极间有一个电压隔离区,这个区越宽,内阻越大,功率损耗越多。图左侧可见SiC产物将这个区域做的更薄,换句话说导通电阻小了,能量损耗就小了。机能会越来越好,因而,SiC因其更低功耗而成为电力电子范畴最具前景的材料。

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  水原先生引见,市场上有两种布局的产物,一种是平面型栅极构制,别的一种是沟槽型栅极构制。见下图,平面MOS构制,从两边起头做,而沟槽构制是U型深挖,如许一来能够把芯片尺寸做的更小,价钱更低。同样的芯片尺寸能够把RDS做的更好些,这也是最大的好处。

  罗姆的计谋规划罗姆2019年财年演讲显示,其2018年发卖额为 3989亿日元,将来增加最大的两块是汽车电子和工业设备,估计到2020年这两部门将占全数营收的51%,海外市场变化不大,日系数码和日系消费市场将越来越窄。电源、模仿、尺度产物将沉点成长,以SIC处理方案为从研发更多使用。罗姆旨正在成立可以或许持久不变供货和对应需求变更的出产体系体例。

  为市场需求,罗姆自2017年到2021年有阶段性的投资正在SiC上,打算到2015年投资850个亿。产能到2021年会提高6倍,到2025年将达到16倍,但从市场需求来看,就这个产能仍然不敷,因而罗姆有可能会启用外部代加工,水原先生说。

  罗姆的第二代SIC MOS采用平面型栅极构制,第三代产物采用沟槽型栅极构制,值得一提的是市场上仅有罗姆一家采用沟槽构制,且享有专利。下图左侧,罗姆正在source这个处所继续深了两沟槽,由于MOS有个最大的问题 ,即正在 gate 上耐压差。为了正在gate上做到更好的耐压,因而罗姆又挖一个沟槽,使电流从此跑出。

  至今半导体财产成长历经了三个阶段,别离是20世纪50年代降生的以硅(Si)为代表的第一代半导体材料,及以80年代降生的砷化镓(GaAs)为代表的第二代半导体材料,和现在以氮化镓(GaN)和碳化硅(SiC)等宽禁带为代表的第三代半导体材料,且愈来愈被遭到高度的注沉。以碳化硅(SiC)为例,凭仗其禁带宽度大、击穿电场高、热导率大等特征,SiC器件备受等候,但成底细对较高也成为其成长的妨碍。近日ROHM半导体()无限公司设想核心所长水原徳建先生正在会上分享了相关SiC功率元器件市场动向和罗姆产物的计谋规划。他暗示,SiC的成本虽然很高,但久远来看,以汽车电池手艺线阐发,电池的价钱鄙人降,机能却正在增加,根基上能够把SiC模块的价钱补平,对于整车厂来说,机能提高了但价钱并没有太大变化。

  间接的讲,SiC能为工程师带来的益处有三点:1.更低的,使得寸更小,相较于硅尺寸削减1/2,同时获得更高的效率;2.更高频次的运转,高频产物能够把电感电容变小,周边模块变小了,产物也相对小了1/10;3.更高温度的运转,呈现更简单的冷却系统;

  可穿戴设备中添加心率监测功能已遍及可见,可是心率测试的精确度参差不齐,可穿戴市场的成长曾经对精确度提出越来越高的要求,以至要求医疗品级的精确度.....Mouser & Maxim2019年07月18日

  碳化硅协同栅极驱动为电动车取混动供给普遍的车载使用处理方案。次要使用正在车载充电器、降压转换器和从驱逆变器上,目前从驱以IGBT为从,SiC使用正正在研发中,估计2021年之后能够市场。水原先生分享电动汽车将来的趋向其一是行驶里程耽误;其二缩短充电时间;其三需要更高的电池容量。为了这个趋向,SiC正在汽车使用中也会有个变化,正在OBC这块,2017年之前是以SiC SBD为从,2017年后SiC SBD+SiC MOS就曾经是很成熟的市场;DCDC这部门,由Si MOS 演变成SiC MOS为从;逆变器上,目前以IGBT+Si FRD为从,SiC MOS正正在研发中,正在2021年连续会市场;无线充电,SiC SBD+SiC MOS正正在研发中;大功率DCDC(用于快速充电)同样SiC MOS也正正在研发中。水原先生出格提到Formula-E所用到的SiC手艺,取保守逆变器比拟,第三赛季正在利用了IGBT+SiC SBD其分量降低2kg,尺寸减小19%,而第四赛季采用Si MOS+SiC SBD后,取保守逆变器比拟其分量降低6kg,尺寸减小43%。

  下图以半导体功率元器件常用材料Si、GaN、SiC做的比力,能够看出SiC正在物理特征上的劣势,以及为什么会有很大的前景?

  水原先生说,SIC 目前用的最多是正在光伏、办事器上;电动车是成长中的市场,充电坐,电源会成为方针市场。现正在碳化硅以1700、1200伏为从,跟着产物特征越来越好,将来正在风能、铁大将会是个颇具前景的市场。基于IHS市场查询拜访,到2025年能源(PV,EV充电,智能电网等)、汽车(OBC,逆变器)、根本设备(办事器)会带来很大的增加;

  据领会,罗姆这家公司从2000年就取大学一路研发碳化硅之,2009年收购的Sicrystal公司, 该公司从做碳化硅晶柱,2010 罗姆SiC SBD量产,全球第三,日本第一,同年全球首发SiC MOS,2012 SiC模块全球首发,2015年全球首发沟槽型SiC MOS,2017年6英寸SiC SBD量产。时至今日,罗姆从晶棒出产到晶圆工艺再到封拆拆卸,完成了完全垂曲整合的制制工艺。

  随后,水原先生引见了600V以上耐压功率元器件的特征比力,Si少子器件中以PN(FRD)、IGBT为代表,其特征为高耐压性、为了弥补导通,能够调理传导率、因为少数载流子的积储,使得恢复变慢,拖尾电流等;Si的多子器件中以MOSFET为例其特征,SJ RON稍稍改善、虽然高速可是大、恢复快、耐压900V摆布;而SiC的多子器件如SBD、MOSFET其特征具有高耐压性、外延层导通小、SW损耗急剧降低、200度以上操做可能。见于以上特征市场分歧认为以SiC做的SBD和MOSFET正在高机能上更胜一筹。总结来说,若是需要低频高压, Si IGBT是最好的;若是需要稍高频,电压不是很高的产物,用Si MOSFET最好;若是是即高频又高压那SiC MOSFET是最好的选择;若是电压不需很大,但频次很高就选用GAN HEMT。

  除SiC之外,Gate Driver也是一个很大的市场,估计到2021年罗姆的出产能力将提高5倍,到2025年估计提高15倍。

  保守上,SiC-SBD有两种构制,一种是纯肖特基构制,罗姆的第一、二代产物都是纯肖特基构制。最大的益处正在于肖特基的特征1、正标的目的耐压;2.FSM霎时大电流。 所以用纯肖特基构制来做。虽然VF能够做下来,可是霎时大电流做的欠好。罗姆的第三代产物是JBS构制,劣势是肖特基势垒毗连取PN毗连,IFSM大高耐压、漏电流小高温时VF低。

  罗姆正在尺度产物上十年前位居第一,跟着市场整合,稍有变化,但他们立志恢复世界第一,水原先生说,想要回到第一的必定产能要跟的上,他们正在日本国内、马来西亚、菲律宾都有工场。估计2021年阿波罗新大楼将投入利用,其专为SiC前期工序公用工场,无论若何当这些产能仍然不克不及满脚需求的时候他们也可启用外部产能。

  从下图能够看出,IGBT恢复起来,有拖尾电流,三角区是个不需要的损耗,但用碳化硅MOS 开关off时的损耗大幅削减。通俗MOS特征虽好但电压不敷,因而SIC MOS更好。

  可是换成SiC-SBD,SBD是半导体+金属布局,恢复比拟较而言削减良多,使反向特征变得更好些。这就是为什么要用SiC-SBD代替Si-FRD的缘由。

  别的一个例子,水原先生分享到,SiC-SBD取Si-FRD的恢复特征对比,水原先生从温度和电流上来做了引见,他注释,Si FRD是个PN布局,半导体+半导体,电流从P流向N,从on到off,正在抱负形态下,硅是最好的选择,因为其是半导体+半导体布局,必定有个反向的恢复,构成了很大的华侈区域,如下图的三角区。

  设想平安的物联网云毗连系统不必然是复杂的过程,从单个的无线传感器节点到复杂的智能节制系统,AVR-IoT WG开辟板是工程师建立几乎所有物联网设备的完满起点......Mouser & Microchip2019年07月16日

  举个例子,让我们来看看SiC给5kW DC/DC转换器带来的收益:5kW LLC DC/DC 转换器上用IGBT和SIC MOS对比,以电源节制板为例,利用SiC器件及相关电,可减小高压电源体积,Si为8775cc,SiC仅为1350cc,芯全面积约为本来的1/4,正在分量上Si IGBT为7kg,而SiC MOS 则仅有0.9kg;效率上,两者正在损耗上比力,SiC可降低63%。总结来说,SiC MOS可提高效率,减小体积。



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