“罗姆半导体周劲：第三代半导体快速发展趋势及首要车载应用”

6月29日-30日，列支敦士登汽车主办的“2021中国汽车半导体产业大会”隆重举行。 此次会议主要围绕中国汽车企业核心短缺的现状、供应链国产化安全建设、车载芯片平台构建设计、自动驾驶、智能座舱行业的芯片诉求和应用实例、电力半导体在三电的应用、芯片测试和功能安全等话题展开讨论，共谋产业未来快速发展的道路， 以下是罗姆半导体技术中心副社长周力在这次大会上的发言。

罗姆半导体技术中心副总裁周力

你好。 我是罗姆半导体技术中心的周力。 今天有机会和在座的各位专家进行切磋，我感到非常荣幸。

让我先介绍吉卜赛人。 说到罗姆人，很多客户和业界人士都会想到“被动设备”。 吉卜赛人一开始是制造阻力的。 本世纪初进入第三代半导体行业，为第三代半导体行业注入了大量资源。 请乘着汽车电动化的东风，在此分享我们第三代半导体的计划和经验。

的第一个拷贝是1、第三代半导体器件的迅速发展趋势和市场展望。 2、罗姆人在第三代半导体器件上的战术共享。 3、罗姆人在新能源车上的obc、在主机变频器上的应用实例。 4、sic功率器件应用设计中的一些观察事项。

观察一下xev，就会发现xev是各种电动汽车的总称，增幅明显的是轻混合动力系统。 这是利用发动机的能量回收来提高效率，上面有插件。 上海市目前绿色品牌可以乘坐的是插电式和纯电动，未来汽车电动化趋势明显。 即使是用发动机或汽油制造动力源的车，也要将电力系统放入其中(

所谓第三代半导体，一个是左侧的碳化硅，右侧是氯化钾。 碳化硅的一大优势是大功率、高电压、工作频率比变高。 目前广泛使用的igbt的相对特征是高工作频率。 目前，氮化镓通常可以在较有效的耐压下达到650v，但实际上氮化镓有明显的特征。 即使是同样的高频也在200k以上，比碳化硅的工作频率上升得更大，也应用于汽车和服务器电源行业，在要求这种小型高效应用的情况下，具有比较大的特点。 但是，目前氮化镓器件在汽车上的应用有限，市场检验程度不够，有可能先在民用产品上上市。 氮化镓这两年手机充电很快，体积很小，我相信在座的很多人都有这个产品。

从第三代半导体碳化硅的特点来看，一个是稳定，特点基本上与温度无关，其损耗不会随温度上升而偏移，基本上是保持水平线。 目前，硅的迅速发展已接近硅的理论极限。 sic的努力方向也同样是接近该材料理论特征极限的方向，现在也需要努力。

将开关的特点与igbt进行比较，igbt仍是高压大电流的主力产品。 在同等条件下，损耗比igbt损耗低77%，这是明显的不同。 从恢复特性来看，恢复时间有比较大的差异，使用碳化硅设备的系统频率可以提高，感性设备或电容性设备的要求值降低，导致整体体积的缩小，这是未来汽车APP或便携式大功率APP应用中非常有效的客户。

这是氮化镓的证明，碳化硅和氮化镓两种基础材料的性能其实是一样的，氮化镓的出现更晚，潜力也更大。 典型的特征之一是在超高频下盲目。 因为在这个通信电源和无线频率上的应用很多。

氮化镓器件的罗姆人刚刚进入中低压的应用，目前5a、15a、20a、150v产品的样品正在宣传中，可以应用于数据中心的基站电源48v。

从氮化镓的计划来看，今年有低压产品，明年将推出650v系统的氮化镓产品。 具有硅基超结mosfet/混合mos、frd、igbt的罗姆功率器件。 sic器件包括肖特基二极管和mosfet。

罗姆人对垂直整合生产感到自豪。 从晶体到电路板、外延、包装，罗姆人在企业内完成，可以为顾客提供良好的质量和可追溯性，提供确定的数据，说明是什么时候生产的，是哪个工厂生产的。 这是吉卜赛人在质量方面向顾客保证的。 同时，为顾客带来稳定的供应保证。

近两年来，半导体器件缺货情况严重，特别是12英寸晶圆缺货严重，相对来说罗姆人在生产能力上更具保障性，这体现了我们垂直整合生产模式的特点。 产品不仅是自己生产，生产线上的系统设备大部分也是吉卜赛人自己制作的，更能适应我们自己的诉求。

sic设备相关的投入预算，如果按年计算，到2025年，这8年间将增加16倍的投资。

与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特殊性的。 配套的驱动ic罗姆企业也有自己的计划，也必须相应地提高倍数。 这样的增加15倍的投资计划。 今后将投资近1000亿日元来提高生产能力。

sicrystal是吉卜赛人收购的企业，实现了吉卜赛人与碳化硅设备的整合。 目前全球sic相关rohm市场占有率排名第二，产品线第二代、第三代二极管、650v、1200v两个耐压值基本覆盖了客户市场诉求。 除1700v耐压sic mos外，第二代sic mos已基本退出现行产品序列。 sic mos目前以第三代为主力，同样分布于650v、1200v，两种系列产品还在进行第四代产品的开发。

罗姆人的产品趋势是，第二代是平面的，和大多数竞争对手的方法一样。 从第三代开始建立trnech结构，然后变成双沟槽，以降低电场集中，提高trench器件的高规格耐受力，第四代还在开发中。

第四代最重要的问题是标准导通电阻rona，第三代比第一代低50%，再低40%。 降低导通电阻后，耐短路电导的时间进一步降低，与igbt的差距越来越大，因此吉卜赛人在第四代中考虑降低导电阻抗，并提高耐短路电流的时间，从而平衡这两个参数。

罗姆人的驱动很适合自己的应用，在芯片中的上下两个绝缘层中水平分布着变压器一样的无芯变压器结构，磁隔离工作速度比较快，而且其delay特征与温度无关。 一般来说，这种高功率器件的温度比高，需要充分考虑温度上升后的延迟时间变长，在死锁等时间设定上存在需要考虑的问题。 利用磁绝缘特性与温度几乎无关的特征，可以简化设计上的考虑。

这是车载门控驱动器的市场趋势和开发路线图。 这里就不细说了，如果会议有资料的话，请看。 对于各种APP，可能会有相对的差异。

车载充电器输出功率为3.6千瓦至22kw，主要分布为单相、三相电气、单向obc、双向obc。

功率器件现在以提高电池电压的方向为主流，提高后器件的耐压会上升。 带来的利益是，电流越小，损失就越小。 支持800v电池、1200v碳化硅或1200v igbt罗姆的产品已经投产(已投放市场)，特别是sic mos diode器件的应用实现了车载设备的小型化。 通过小型化、轻量化，轻量化后，可以延长车的行驶距离。 反过来说，减小车的电池，行驶距离不变，但是降价是两个方向的想法

这里罗列一下罗姆企业在obc宣传的方案，罗姆企业能提供给用户的不仅仅是电阻，还有大功率碳化硅器件，还有igbt罗姆人，还有驱动器，还有数字传输can收发器。 右侧的高耐压电阻，实际上现在吉卜赛企业的电阻很少做，大部分是做高端的大电流精密的电阻等高端产品。

在pfc上面的模拟中，图的横轴输出，纵轴效率高，与全氮化硅、硅mosfet和igbt的各系统相比，在全输出范围内碳化硅具有特征，特别是在不是全负载的情况下效率特性更明显，实际情况下也有全负载输出状况 因为这种效率的提高在实用上更为明显。

主变频器、碳化硅器件适合在主变频器上应用。 由于电流大、电压高，提高频率后，主驱动器的体积、重量会明显减少，从而给车的价格带来很大的改善。

这是第三代sic mos和第四代产品数据的比较，第四代出现了各种各样的损失，大致平均下降了50%。 另外，在器件设计上实现了降低整体电场强度、提高极限耐受性，在第4代仍取得了明显的技术进步。

这是罗姆人可以在整个车载电路的结构上宣传的，包括lsi、各种驱动器、标准产品、运算放大器、显示器驱动、分类设备在内，罗姆人有全线产品。 这里提到的是800v电路，与前端控制器隔离。 为了向该控制单元供电，需要绝缘的dcdc。 吉卜赛人有无反馈的dcdc适用于车载绝缘电源，变压器隔离，无二次侧反馈，电路实现简单，高效绝缘，噪声控制也是理想的。

最后，我们分享顾客测试和自己学习中遇到的问题。 这是mosfet管打开的标准模型。 除了其中一个后面有人二极管，外面还有另一个二极管，实际上前面存在着电阻。 要使mosfet管导通，vgs上升到15v以上，qg充满后电压上升，其所需的能量如下式所示。

实际上，当电流流过里面时，会存在另外两个电流，两个电流合起来称为等效电容。 ciss越大，寄生电阻越小，前级驱动器对输出电流的要求越高，后级的电阻越小，自身分担的能力就越多。

让我们看看右图。 简单证明一下，主机电路中流过大电流时，会通过crss，使该变动恢复为栅极电压。 电流越大，从crss上面结合的能量就越多。 此时，vgs上升，上升后容易接通mosfet，严重时设备损坏，通常电路整体的效率、发热状态恶化，影响安全作业。

如何解决错误打开现象？ 这个公式更多更复杂。 第一，经常在负压下关闭。 尽管vgs有上升的趋势，但限制在阈值电压以下。 如果限制在此下，则会抑制误导通现象。 二是增加一个cgs，用静电容量提高上升速度，慢慢上升。 更彻底的处理是镜像铅位，上升时夹紧。

即使在里面添加cgs，也不是越大越好。 这里有实测结果。 加入2.2nf电容器的情况下效果很好，但看别的电弧，加入5.6nf也没有效果，反而效率下降，开关损耗增加。 一般来说，将cgs加入2.2nf比较合适。 这是我们在企业内部应用电路测试的结果。 在这里报告。

放入clamp，积极夹紧的效果更明显，但是价格会稍微上涨一些。 右侧增加了有源箝位，但对开关损耗影响不大。 综合来看，最理想的方法是有源箝位方法，因此造成的损失比较小。

碳化硅是高频事业，频率变高时，开关波形的正冲击和负电压的冲击变得显着。 一般碳化硅mosfet允许的负压限制不太高。 我们的标准是-4v到22v。

如何应对负的电压冲击？ 同样用三种方法，1、积极夹紧。 2、cgs容量增加，抑制负冲击也有效。 3、接通二极管，在一定程度上达到负压后会释放能量。 这样综合来看，正负两者，一个是有源箝位，另一个是在cgs侧增加电容器。 cgs是个很简单的方案，当然容量不能太大。 太大了，会影响开关。 这个地方加多少需要根据实际波形进行测试，但一般认为1-5nf区间是理想的。

关于模块，有很多客户将模块打包。 浪涌吸收的考虑非常重要。 一个是只有电容器，另一个是阻止电容的吸收。 这个需要根据实际的浪涌状况选择怎么做。

我认为功率器件在采用过程中磨损，上各材料之间热膨胀系数不同，一般一直在高频上下波动，其节温不变。 因此，有动力循环、断续作业、温度循环。 进行这些强化后，碳化硅设备封装后，可以在实际环境下稳定工作。 这是功率器件需要考虑的问题之一，在设计阶段也要进行省温度变化的模拟，以确保满足客户的诉求。

这是罗姆的网站。 前面说的都在官网上。 如果有有趣的东西请去看看。 我们在背后做了很多工作，总结了很多经验放在上面。 我希望能给我们的顾客同行带来一些新的想法。

这里介绍的复印件是这个。 谢谢你。