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战略侧重、关键打通,第四代碳化硅应用哪家强

盖世汽车网    2022-01-19 10:22

罗姆半导体近几年在第三代宽禁带半导体领域处于前沿,并一直深耕于研究第三代半导体。罗姆半导体(上海)有限公司中国区电源方案课高级经理倪敏分享了碳化硅器件在新能源汽车主机逆变器上的应用。

战略侧重、关键打通,第四代碳化硅应用哪家强

罗姆半导体(上海)有限公司中国区电源方案课高级经理倪敏

 

随着新能源市场的扩大,生产台数不断增加,中国市场增长率比较明显,因为纯电动和插电式电动的增长性,导致Inverter主机的逆变器需求不断提高。

看趋势:主机逆变器市场

目前市场需求是减量的排放以及增加新能源汽车。增加新能源汽车客户就需要延长续航里程等等,为满足这个需求就需要一个比较大的电池容量来提高效率,从而就产生逆变器的需求。逆变器的需要高效化和小型化。对厂商而言就对半导体产生了更多的需求——高效率的元器件和高频的驱动,以及高压快充需要高压快充去解决一些问题。这也是对半导体提出的比较大的挑战。

首先碳化硅在Inverter上的优势。目前主流的IGBT模块,碳化硅也在慢慢切入。与IGBT相比,碳化硅具有比较大的优势,首先是反向恢复Err的损耗减少,因为IGBT基本上都是外带一个快恢复二极管,快恢复二极管它会较大,碳化硅是体二极管,虽然是体二极管,但基本特性和碳化硅“肖特基二极管”基本上是持平的,所以Err性能会比较好。

就关断损耗问题,IGBT会有个拖尾电流,碳化硅却没有这样的问题,所以损耗也会比较明显。在这几个前提下,可以把续航里程提高3%-8%。

战略侧重、关键打通,第四代碳化硅应用哪家强

 

在电动汽车上,业内都在评估碳化硅,所以对碳化硅产品也有一定的期待。首先是电池容量加载,还有充电时间缩短电费改善使用碳化硅模块来解决这方面的问题,会减少损耗,同时把冷却系统做一个小型化、高压化,进行快速充电,碳化硅具有高速开关等等比较好的优势。

在技术层面,碳化硅本来就是第三代的新半导体,需要自身增加单位面积导通电阻的低电阻。此外还需攻克在芯片、短路耐受、封装技术等问题,同时和客户商讨研发碳化硅模块。

关于成本,首先要提高成品率,结合新技术,并加入新晶圆加工技术以此来解决晶体缺陷的问题。因此,罗姆半导体也在脚踏实地为以后的8英寸化量产做努力。

看战略:提供罗姆方案

为此,罗姆定下了在市场份额达到30%的目标。其拥有以下优势:

首先罗姆半导体拥有一体化生产模式,一站式完成模块,并且可以一体化生产,达到较好的成本控制。

再是构造,直接从第二代平面技术跳到第三代和第四代的沟槽技术,去解决一些长期信赖性的问题。

其三是高品质,减少一些内部,把比较容易出现问题的,在长期会有问题的东西筛减的更精确,。

最后是高性能,RDS降低,降低VF值。

战略侧重、关键打通,第四代碳化硅应用哪家强

 

近年来,罗姆也与多家Tier1进行了合作,成立了多家联合实验室,ES、北汽新能源、吉利等等都是合作伙伴,目前也有近30家左右的相关客户在测试罗姆的碳化硅产品。同时,罗姆对碳化硅的生产能力和所对应的产品,进行了产能的提升,对一些工厂进行了合资,在日本阿波罗地方进行了新建工厂,以此应对日后可能出现的产能不足的问题。

总之,罗姆为了占有率30%份额做了三方面的努力,首先是技术提高第二是产品全面提供所有客户最后是产能不断扩充。

看应用:主机逆变器实用案例

罗姆的第四代产品将继续沿用之前的双沟槽技术,进行直接车载化的产品研发。并且总结第三代产品的缺点,例如驱动产品,第三代罗姆用18V驱动,和15V的IGBT并不相同。第四代进行了改变,支持客户15V-18V驱动。

此外,还进行了开关损耗测试,第四代和第三代相比,损耗降低了很多,使得整体效率提高。

罗姆在主机利润期的应用方案,主要是推广以碳化硅产品为首做模块,或者是给模块厂商去封装模块推广,并结合一些产品,如电阻。因为罗姆是电阻起家的,所以有电阻、三极管、DC-DC、LDO等产品,在整个方案体系中都可以与客户进行整体化的推广。如逆变器会和碳化硅产品一起去的向客户做推广,在周边器件这边可以和客户一起探讨如何制造更可靠、高压、低损耗的产品,给客户比较丰富的产品线。

战略侧重、关键打通,第四代碳化硅应用哪家强

 

罗姆目前推广了电路、PNP管、三级管等产品。首先带给客户一些复合型的功能会,进行比较强大的应用。此外,罗姆的封装也会比较全,像89封装,小封装大电流的产品也会有,一些电阻肖特基二极管的方案,只要客户表达想要的需求,罗姆可以给客户一个完整、便捷的方案。

看关键:SIC功率器件应用中的Crosstalk

碳化硅在实际应用中,主要有串扰问题,串扰问题会在半桥或者全桥中出现,以下管开关侧为案例,上管是以回流侧为案例做说明。

首先就是负压问题,其实也是一个行业问题,负压问题是比较窄。虽然窄也可以使用,但是若要追去精细,则需要设计者克服一些问题去用,现在的负压问题,都是在-4V或者-6V,而且包括尖峰电压的趋势。IGBT肯定都是正20V,所以基本上负压问题就不在IGBT的讨论范围之内。

对于负压问题需要探讨一些串扰问题,在开关侧on的情况下,它对侧上管就会有一个上冲击尖峰,这个时候求引起一个上下管导通。在off的时候也会有一个串扰,但是它是一个向下的串扰,向下的串扰就会超过一些负压问题,则必须要研究探讨。

战略侧重、关键打通,第四代碳化硅应用哪家强

 

具体的模符管为会有串扰,如以247封装为例,首先在247封装里面内部有一个元级的杂感,P角一是有杂感,这里简称为trace杂感和source杂感并联,再去抓波形时,掺入一个探头,它的杂感就会在下面产生一个电压问题。

首先在开关侧进行on,在on的情况下,这边的电流就通过下管的电流会增大,通过上管的电流之后,上管的处于off的状态,off走的是二级管理,二级管还会再走,电流的方向就是看一下红线的回流侧。回流侧这样走之后,它就是慢慢降低的情况下,这样的情况下阻碍降低,它的电流也要跟电流是一样的,所以它就形成感应电动势。感应电动势的正极是上,就是source极上面是正极,下面是负极,同样,下面P角上也会有杂感,它也是上面是正,下面是负。

它在on的时候,电压开始提高了,由电压的DVDT引起了上管的串扰问题,所以上管是DVDT引起的,首先是电流变化,接下来就是电压变化,在上管形成电压变化,它会急速上升电压,就会有一个电流流过去,通过米勒平台CRIC进行充电,然后形成蓝色的回路进行充电。也就是DVDT越小,它的电流也就越小,电流越小电压也会浮动越小。所以对于这些也可以侵略一些措施,加一些米勒MOS管去前置它。

接下来就是off的状态,off也会出现这样一个问题,刚才on的时候是冲完电了,off的时候一开始就是进行放电,进行放电之后也会有一个回路进行放电,它的充电回路是相反的,所以这里是正压,这里是负压,这里就会出现负压,这个负压问题也是罗姆需要克服的,不能超过负值。

电压变化好之后就因为了电流,电流增大之后,有一个自感,因为它是在off的阶段,它下管电流是慢慢减小的,因为它进行了回流,回流之后对于二级管来说,它的电流是慢慢增大的,增大之后要阻碍电流增大,它就要形成自感,自感下边是正压,上面是负压。

从理论知识可以看到,理论知识与器件产品的一些的具体特性有关系,在特性不变的条件下,可以通过外部的电路或者采取一些比较好的L进行改善,这也是罗姆能够做到的,所以罗姆愿意跟客户探讨这一研究方向。

按照这样一个方向,推荐客户用一个米勒MOS管做一个前卫。负压推荐肖特基二极管,在GS上面采用肖特基二极管前位住一个负压,达到比较好的效果。

刚才强调开关侧跟回流侧的一些具体方案,例如在什么时候用哪些去做,例如在负压在尖峰电压的情况下,可以通过一些二、三级管解决,或者是通过米勒MOS管解决。

关断的应用解决方案,与客户强调比较多的还是米勒MOS管和肖特基二极管,能够解决正压和负压的问题,最好是外置的米勒MOS管。

这个也是刚才所说的实际案例的扩充,这个也是运用罗姆去做一些产品和推广,给客户的一些实际案例的回馈,给客户做一些仿真。同样罗姆也会做一些仿真,跟客户做一些对比、评判等等情况,所以这个也是可以做到的。

首先罗姆进行实测,加一些前置的肖特基二极管,或者肖特基二极管加好之后做一些前位的MOS管做的实测案例也用简单的双脉冲去看了一下情况,效果还是比较明显的。像A没有抑制的情况下,可以看到它的GS上升也会比较大一点,这边电流的峰值也会比较大,在这个峰值跟它的对比情况下断定已经产生了误操作,解决上下管导通的情况。基本上上下管到导通的话,要看波形来定义,不是单单超过VGS、VTH值就一定会上下管导通,这也是不可取的现象。例如标3V的VTH值,其实不是超过30V一定会发生上下管导通,只是增加了一个风险。

是不是上下管导通,具体来还要看一下电流的波形,可以看到电流峰值的波形,可以看这时候已经进行了上下管导通的情况,加一些MOS管或者肖特基二极管的话,可以做到比较好的前位,尤其是负压这边也会做一个比较好的前位,所以这个肖特基二极管的效果也是比较明显的。

罗姆从目前半导体发展趋势出发,分析了其目标战略,实际应用与关键技术攻克的情况。倪敏表示,罗姆将主动的给客户更好的服务,更好的态度面对第三代产品,并主推第四代碳化硅的产品。

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责任编辑: 4161HSS

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人家也是有底线的啦~
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