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2017.01.12 SiC功率元件

前言

前言

Tech Web的「基礎知識」將逐漸追加新的「功率元件」相關記事。近年來,以「功率元件﹙power device﹚」或「功率半導體﹙power semiconductor﹚」等字眼來表現,並且以低損耗處理大功率為目的的二極體或電晶體等discrete semiconductor(離散式半導體)零件備受矚目。理由在於需要更高效率及高性能的功率元件來因應「節能化」及「小型化」這個世界共同的課題。

那麼,最近所聽到的「功率元件」具體來說是根據什麼定義的分類呢?我想恐怕沒有明確的分類,不過印象中比較符合的有:以轉換高電壓大功率AC/DC或開關電力為目的的二極體或MOSFET、以及模組化輸出段的功率模組等。

在這裡分成2個部分談論,一是以傳統矽半導體為基礎的「矽(Si)功率元件」,另一則是功率損耗及高溫工作特性皆優於Si半導體、可望作為新一代低損耗元件的「碳化矽(SiC)功率元件」。SiC半導體已進入實用化,也被搭載於對品質信頼度有嚴格要求的車用電子。說到SiC,或許容易聯想到大功率的特殊應用,其實也可以運用在我們周遭的許多常見節能、小型化的應用中。

SiC功率元件

SiC功率元件預定分成以下4個部分來討論。

  1. 何謂SiC?
    • 與物性、Si之比較
    • 研發背景
    • SiC的優點
  2. SiC-SBD(碳化矽蕭特基二極體)
    • 與Si二極體之比較
    • 採用事例
  3. SiC-MOSFET
    • 與各種功率MOSFET之比較
    • 活用事例
  4. 全碳化矽模組﹙Full SiC Module﹚
    • 模組的結構
    • 開關損耗
    • 活用重點
SiC_20160323

SiC在熱力學上、化學上、物理學上都是非常安定的化合物半導體,作為功率元件的重要參數條件都非常優秀。以元件來說,既具備超越Si半導體的低電阻、高速工作及高溫工作,而且能大幅減少從送電到機器之間的各種功率轉換所導致的能源損耗。

SiC半導體的功率元件於2010年*1開始進行SiC-SBD(蕭特基二極體,schottky barrier diode)和SiC-MOSFET的量産,SiC的MOSFET和SBD式「全碳化矽﹙Full SiC﹚」功率模組也於2012年*1量産。此外,第二代元件業已量産,進展十分快速。(*1:不論日本或全球,都是ROHM首家量產)

在最初的第一章中,我想以對SiC還不太熟悉的工程師為前提,從SiC的物性或優點等基礎開始。接著就SiC-SBD以及SiC-MOSFET來解說與Si元件交互比較特性或使用方法之不同等,亦介紹採用事例。

全碳化矽﹙Full SiC﹚模組則是電源最佳化的功率模組、有多項優點。除了介紹其特徵以外,也以實際應用來解說活用的重點。

SiC功率元件由於對節能和小型化非常有用,因此我認為可以在這裡加深理解,提供可利用作為常用元件的契機。

重點:

・SiC功率元件是損耗降低或高溫環境下動作特性優越的新一代低損耗元件。

・雖是新半導體材料,但已在車用電子等要求高品質高信頼度的市場亦擁有許多實際成績。

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