罗姆半导体周劲：第三代半导体发展趋势及主要车载应用

6月29日—30日，由盖世汽车主办的“2021中国汽车半导体产业大会” 隆重召开。本次会议主要围绕中国车企缺芯现状、供应链国产化安全建设、车载芯片平台的搭建设计、自动驾驶、智能座舱领域的芯片需求和应用案例、功率半导体在三电中的应用以及芯片测试和功能安全等话题展开讨论，共谋产业未来发展之路。下面是罗姆半导体技术中心副总经理周劲在本次大会上的发言。

罗姆半导体技术中心副总经理 周劲

大家上午好，我是罗姆半导体技术中心周劲，今天有机会跟在座各位专家学者们切磋，我感到非常荣幸。

首先介绍一下罗姆，提到罗姆，很多用户或者业内的人都会想到“被动器件”，罗姆最开始就是做电阻的，在本世纪初进入第三代半导体领域，在第三代半导体领域倾注了很多资源，乘着汽车电动化的东风在这边给大家分享一下我们第三代半导体的规划和经验。

今天主要内容有：1、第三代半导体器件的发展趋势及市场展望。2、罗姆在第三代半导体器件上的战略分享。3、罗姆在新能源车上的OBC、主机逆变器上应用案例。4、SiC功率器件应用设计中的几个注意事项。

看一下xEV，所谓xEV就是各种电动汽车的统称，可以看到增幅比较明显的是轻混系统，它是利用发动机能量回收提升效率，再上面是插电混动，上海市目前可以上绿牌的是插电混动和纯电动，可以见到未来汽车电动化是很明显的趋势，即使靠发动机、靠汽油来做动力源的车，也会把电力系统做到里面去（如奥迪的48V轻混，丰田Hybrid EV），这就是功率器件未来需求会大幅增长的预测的来源。

所谓第三代半导体，一个是左侧的碳化硅，右侧是氯化钾，碳化硅显著特点是大功率、高电压、工作频率会比较高。对目前广泛应用的IGBT相对优势是高工作频率。氮化镓目前有效耐压通常可以做到650V，实际上氮化镓有一个明显的特性，同样是高频率，200k以上，比碳化硅会提升比较大的工作频率，也是应用在汽车或服务器电源领域，这种要求体积小、效率高的应用场合会有比较大的优势。但是目前氮化镓器件应用在汽车上面有一个局限性，就是市场检验程度不够，可能会在民用产品上率先推出。氮化镓近两年比较火的应用就是手机快充，体积很小，相信在座各位会有很多人有这个产品。

第三代半导体碳化硅的特性看一下，一个是很稳定，特性基本上与温度无关，它的损失并不会随着温度上升而有所偏移，基本上是保持一个水平线。目前硅的发展已经接近了硅的理论极限。SiC的努力方向同样是往靠近该材料理论特性极限方向靠近，目前还需要努力。

开关特性与IGBT进行比较的图，IGBT仍然是高压大电流主力产品。损耗，同等条件下SiC器件相比IGBT损耗会有77%的下降，这是一个很明显的差别。从恢复特性来看，恢复时间有比较大的差别，这也使得应用碳化硅器件系统频率可以做高，感性器件或者容性器件的要求值会降低，带来整体体积的缩小，这是未来往汽车应用或者便携式大功率应用非常有效的对客户的吸引。

这是氮化镓的说明，碳化硅和氮化镓两个基础材料性能其实差不多，氮化镓出现更晚一点，潜力也会更大一点。一个典型的特征是可以工作在超高频率瞎，因此通信电源或者射频上面的应用会比较多一些。

氮化镓器件罗姆刚刚进入中低压的应用，目前5A、15A、20A，150V产品目前有样品在推广，可以应用在数据中心基站电源48V上面。

看一下氮化镓的规划，今年会有低压产品，明年会有650V系统氮化镓产品面市。罗姆功率器件，拥有硅基超结MOSFET/混合MOS、FRD和IGBT。sic器件包括肖特基二极管和MOSFET。

罗姆一直引以为豪的是垂直整合生产，从晶体到衬底、外延、封装都是罗姆在公司内部完成，这样可以给客户良好的品质和追溯性，什么时间生产的，在哪个工厂生产都可以给出明确的数据，这是罗姆在品质上给客户的一个保证。同时也会给客户带来供货稳定的保证。

近两年半导体器件缺货情况严重，特别是12寸晶圆缺货很厉害，相对来讲罗姆在产能方面会更有保障性，这体现出我们垂直整合生产模式的优势。不光产品自己生产，生产线上的系统设备绝大多数也都是罗姆自己做的，这样能够更适应我们自己的需求。

SiC器件相关的投入预算，以2017年为基数来算，到2025年，这八年时间会有16倍投入的增长。

跟第三代半导体配套的是驱动IC，SiC器件的驱动电路要求还是有一定特殊性，配套的驱动器IC罗姆公司也是有自己的规划，也要提升相应的倍数，是这样一个增15倍的投资计划，今后我们会投资接近1000亿日元来提升我们的产能。

SiCrystal是罗姆收购的公司，从而实现了罗姆在碳化硅器件方面的整合。目前在全球SiC相关ROHM的市场占比是排名第二，产品线第二代、第三代二极管，650V，1200V两耐压值基本上全部覆盖客户市场需求。除1700V耐压SiC MOS之外，第二代SiC MOS已经基本退出现行产品序列。SiC MOS目前以第三代为主力，同样分布在650V，1200V，两种系列产品，也在做第四代产品的开发。

罗姆产品流向，第二代是平面的，跟大多数竞争对手是一个做法。从第三代开始做Trnech结构，然后做成双沟槽，这样对电场集中有所下降，提高Trench器件超规格使用耐受的能力，第四代还在开发中。

第四代主要解决的问题是标准导通电阻RonA，第三代跟初代相比，在降低50%的基础上再降低40%。降低导通电阻会带来短路导流耐受时间进一步降低，会跟IGBT差距越来越大，那么罗姆在第四代会考虑把导电阻抗降低，另外提升短路耐受电流的时间，在这两种参数之间寻找平衡点。

罗姆驱动很贴合自己的应用，在芯片里面上下两个绝缘层当中水平方向布了像变压器一样的无磁心变压结构，磁隔离的工作速度会比较快，同时它的Delay特性与温度无关。通常这种大功率器件温度都会比较高，需要充分考虑温度上升之后延迟时间变长，死区锁定等时间设定会有连带需要考虑的问题，利用磁隔离特性跟温度基本无关这一特性，会比较简化我们设计上的考虑。

这是车载栅极驱动器市场趋势与开发路线图，这里就不详细说了，如果会议有资料，大家可以看一下，对于各种应用有相对区别的考虑。

车载充电器输出功率从3.6kW到22kW，主要分布是单相，三相电，单方向OBC，双方向OBC。

功率器件目前主流方向是把电池电压提高，提高之后器件耐压要升高，带过来的好处是电流小了，损耗就会相应减少。对应800V电池，1200V碳化硅或者1200V IGBT罗姆都有相应的产品在生产（投入市场），特别是SiC MOS Diode器件的应用，实现车载机的小型化，通过小型化，重量减轻，减轻之后可以把车的里程延长，反过来说把车的电池弄小一点，虽然里程没变，但是成本降下来了，这是两个方向的考虑。

这里罗列罗姆公司在OBC上面推广的方案，罗姆公司能够为客户提供的并不只是有电阻，也不光是大功率碳化硅器件，还有很多，比如IGBT罗姆也有，驱动器，甚至有数字传送CAN收发器。右侧高耐压电阻，实际上现在罗姆公司电阻做得不多，基本都是做高端大电流精密的电阻等高端产品。

在PFC上面的仿真，如图横轴是输出功率，纵轴是效率，可以看到全氮化硅和硅MOSFET和IGBT各系统相比，在整个输出功率范围方面碳化硅有它的优势，特别不是全负载的时候效率优势更明显，就实际工况来看，全负载输出情况也占比不大，因此效率上的提升在实际应用中更明显。

主逆变器，碳化硅器件更适合在主逆变器上面应用，因为电流很大，电压又高，把频率做上去之后主驱动器体积，重量会减小得比较明显，对车的成本会带来很大的改善。

这是第三代SiC MOS和第四代产品数据的比较，第四代可以看到各种损耗，大概平均会有50%的下降，同时在器件设计上实现降低整体电场强度，提高极限耐受能力，在第四代还是会有一个比较明显的技术进步。

这是罗姆在车载电路整体构成上面可以推广的东西，LSI、各种驱动器、标准产品，包括运放、显示驱动、分类器件，罗姆都会有全线产品。这里提到的是800V电路，跟前端控制器是隔离的，为了给这个控制单元供电，需要一个绝缘的DCDC，罗姆这边有无反馈的DCDC在车载绝缘电源上面应用，变压器实现隔离，无二次侧反馈，电路实现简单，可以高效的实现绝缘，噪音控制也比较理想。

最后跟大家分享一下，我们帮客户测试或者自己学习过程当中遇到的一些问题。这边是MOSFET管打开的一个标准模型。除了当中一个后面有一个体二极管，外面再并一个二极管，实际上在前面是有电阻存在的，我们要把MOSFET管导通，VGS要升到15V以上，Qg充满之后电压就能上去，那么它所需要的能量是这样一个公式，

实际上往里面灌电流的时候，有其他两个电流存在，两个加起来叫做等效电容。CISS越大，寄生电阻越小，对于前段驱动器输出电流要求就越高，后面的电阻小了，自身分担的能力就多了。

我们看右图，简单说明一下，大电流流过主体电路的时候会通过CRSS，会把这个变动返回给栅极电压，电流越大影响越大，从Crss上面耦合过来的能量就会越多，这个时候会造成VGS上升，上升之后容易把MOSFET打开，严重时候会造成器件损坏，一般情况下，也会对电路整体的效率、发热状态恶化，安全工作造成隐患。

怎么样处理误开启现象？这个公式更复杂了，第一个，我们很多时候是用负压关断，尽管VGS会有上升的趋势，但仍然限制在阈值电压以下，限制在这个下面就遏制住了误开启现象。第二个，增加一个CGS，通过电容提升上升速度，让它慢一点上去。更加彻底的解决就是米勒铅位，在它上升的时候给它钳住。

当中追加CGS，也不是越大越好，这里有一个实测结果。加了2.2nF电容的时候效果很明显，但是看另外一条弧线，加到5.6nF没有什么效果了，反而会减低效率，增加开关损耗。通常应用CGS加到2.2nF是比较合适的，这是我们在公司内部应用电路测试的结果，这里给大家报告一下。

加CLAMP，主动钳位的效果，更明显一些，尽管成本会上去一点。右侧我们加了主动钳位，对于开关损耗并没有太大影响，因此综合看来，最理想的做法是主动钳位做法，它带来的损耗会比较小一点。

我们碳化硅是高频工作，频率高了带来开关波形正向的冲击和负电压的冲击都会比较明显。通常碳化硅Mosfet允许的负压限制不会太高，我们规格是-4V到22V。

对应负电压冲击怎么去做？同样也是三种办法，1、主动钳位。2、CGS电容增加，抑制负向冲击也是有效的。3、加二极管，当负压到一定程度就会把能量给放掉。这样正负两个综合来看，一个是主动钳位，一个是CGS端加一个电容。CGS是一个很简单方案，当然电容不能加太大，太大会带来开关上的影响。这个地方加到多少要根据实际波形去测试，通常我们认为1-5nF区间比较理想一点。

对于模块，我们有很多客户准备要封装模块，浪涌吸收的考量很重要，一个是纯靠电容，另外一个是阻容的吸收。这个需要根据实际浪涌情况来选择怎样做。

功率器件使用过程磨损，上面各种材料之间热膨胀率是不一样的，通常一直高频上下，我们认为它的节温是不变的。因此我们会有一个功率循环，断续工作及温度循环，这些强化去做才能够保证碳化硅器件封装之后在实际环境下能够稳定工作，这是大功率器件必须要考虑的一个问题，我们也会在设计阶段进行节温变化的模拟仿真来确保提供的器件能够满足客户需求。

这是罗姆的网站，前面讲的那些在官网上面都会有，各位有兴趣可以去看一看，我们在背后做了很多工作，总结了很多经验放在上面，希望能给我们的客户同行带来一些新的想法。

我这边介绍的内容就是这些，谢谢各位。