罗姆在新一代功率元器件领域的飞跃发展与前沿探索
来源： 作者： 发布时间：2015-05-18 09:21:03 浏览量：1200V级的逆变器和转换器中一般使用Si材质IGBT。SiC-MOSFET由于不产生Si材质IGBT上出现的尾电流(关断时流过的过渡电流)，所以关断时开关损耗可以减少90%，而且可实现50kHz以上的驱动开关频率。
因此，可实现机器的节能化及散热片、电抗器和电容等周边元器件的小型化、轻量化。特别对于以往的Si材质IGBT，开关损耗比导通损耗高，在这种应用中进行替换，将具有良好效果。
③“全SiC”功率模块：100kHz以上高频驱动、开关损耗降低
现在，1200V级的功率模块中，Si材质IGBT和FRD组成的IGBT模块被广泛应用。罗姆开发了搭载SiC-MOSFET和SiC-SBD的功率模块(1200V/100A半桥结构，定制品)以替换以电感器厂家往的硅材质器件，并从3月下旬开始量产、出货。通用品(1200V/120A半桥结构)也将很快量产。
作为替换硅材质器件，搭载SiC-MOSFET和SiC-SBD的模块，可实现100kHz以上的高频驱动。可大幅降低IGBT注5尾电流和FRD注6恢复电流引起的开关损耗。因此，通过模块的冷却结构简化(散热片的小型化，水冷却、强共模电感制空气冷却的自然空气冷却)和工作频率高频化，可实现电抗器和电容等的小型化。
另外，由于开关损耗低，所以适于20kHz及更高开关频率的驱动，在此情况下，也可以用额定电流120A的SiC模块替换额定电流200-400A的IGBT模块。
今后：罗姆将全面推动SiC元器件的普及
相对于已经具有大量采用实绩的SiC-SBD而言，SiC-MOSFET和全SiC功率模块的真正采用现在才开始。相对以往硅材质器件的性能差别和成本差别的平衡将成为SiC器件真正普及的关键。罗姆在两个方面进行着技术开发：①基于SiC电路大功率电感贴片电感器板大口径化，降低SiC器件成本 ②相对硅材质器件，开发在性能上具有绝对优势的新一代SiC器件。今后，罗姆将通过扩大普及SiC器件 ，助力于全球范围内实现节能和减少CO2的排放。
第二章 罗姆在电感公式“GaN”功率元器件领域的前沿探索
GaN功率元器件是指电流流通路径为GaN的元器件。“GaN”曾被作为发光材料进行过研究，现在仍然作为已普及的发光二极管(LED)照明的核心部件蓝色LED用材料广为使用。同时，还有一种称为“WBG”的材料，与发光元件应用几乎同一时期开始研究在功率元器件上的应用，现已作为高频功率放大器进入实用阶段。
GaN与Si和SiC元件的不同之处在于元件的基本“形状”。图1为使用GaN的电子元器件的一般构造。晶体管有源极、栅极、漏极3个电极，Si和SiC功率元器件称为“纵向型”，一般结构是源极和栅极在同一面，漏极电极在基板侧。GaN为源极、栅极、漏极所有电极都在同一面的“横向型”结构。在以产业化为目的的研究中，几乎都采用这种横向型结构。
之所以采用横向型结构，是因为希望将存在于AlGaN/GaN界面的二维电子气(2DEG)作为电流路径使用。GaN既是具有自发电介质极化(自发极化)的晶体，也是给晶体施加压力即会重新产生压电极化(极化失真)的压电材料。AlGaN与GaN在自发极化存在差别，由于晶格常数不同，如果形成如图1中的AlGaN/GaN异质结，为了匹配晶格常数，晶体畸变，还会发生极化失真。因这种无意中产生的电介质极化之差，如图2所示，GaN的禁带向AlGaN下方自然弯曲。因此，其弯曲部分产生2DEG。由于这种2DEG具有较高的电子迁移率(1500 cm2/Vs左右)，因此可进行非常快的开关动作。但是，其另外一面，相反，由于电子流动的路径常时存在，因此成为栅极电压即使为0V电流也会流过的称为“常开型(normally-on)”的元件。
图1：GaN晶体管的单元晶体管基本结构
图2：AlGaN/GaN异质结能带结构
正如之前所提及的，对WBG材料的最大期待是提高耐压性能。由于SiC基本可以实现与Si相同的纵向型结构，因此发挥材料特性的耐压性能得以提升。但是，GaN则情况不同。图1所示的横向型结构较难提升耐压性能，这一点通过Si元件既已明了，只要GaN也采用图1的结构，物理特性上本应实现的耐压性能就很难发挥出来。但是，本来对WBG材料的期待就是耐压特性，因此，发布的GaN元器件多为耐压提升产品。但是，提升耐压性能的方法基本上只能通过增加栅极/漏极间的距离，而这样芯片就会增大，芯片增大就意味着成本上升。
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