IGBT
東芝新推用於電壓諧振電路低功耗分立IGBT
東芝(Toshiba)日前推出一款1350V分立式絕緣閘雙極型電晶體(IGBT)—GT20N135SRA,適用於檯面式電磁感應加熱(IH)調理爐、IH電子鍋、微波爐及其他家用電器的電壓諧振電路。
GT20N135SRA的集極-射極飽和電壓為1.75V,二極體順向電壓為1.8V,分別比目前產品低約10%和21%。IGBT和二極體在高溫(TC=100℃)下均具有改善導通損耗特性,新型IGBT可幫助降低設備功耗。還具有0.48℃/W(最大值)的晶片到外殼熱阻,也比目前產品低約26%,進而簡化熱設計。
新款IGBT可抑制設備開啟時流過諧振電容器的短路電流。其電路電流峰值為129A,比目前產品降低約31%。隨著安全操作範圍的擴大,與當前產品相比,它讓設備設計變得更加輕鬆。
產品主要特性包含低傳導損耗,抑制設備開啟時流過諧振電容器的短路電流,擁有廣泛安全操作範圍。
採用直接驅動設計 GaN FET開關控制效率增
GaN損耗低 直接驅動優勢多
在設計開關電源時,主要品質因數(FOM)包括成本、尺寸和效率。將這三個FOM結合在一起,就需要綜合考慮多種因素。例如,提高開關效率雖然可以減少磁性元件的尺寸和成本,但也會增加磁性元件的損耗和電源裝置的開關損耗。由於GaN的截止電容較低且無二極管反向恢復,因此與MOSFET和IGBT相比,GaN HEMT有顯著降低損耗的能力。正常情況下,MOSFET/IGBT驅動器會提供合適的開啟和關閉電流以支持輸入電容。驅動器輸出和裝置閘極之間的外部電阻能控制開關速度,並抑制功率和閘極迴路振鈴。隨著GaN的開關速度增加,外部零組件會增加過多的寄生電感(Parasitic Inductance)來控制開關。藉由GaN裝置將驅動器整合到封裝中,可以大幅減少寄生電感,降低開關損耗,並最佳化驅動控制。
GaN中的本體二維電子氣(2-DEG)層可以在源極和汲極之間使裝置在零閘-源電壓下導通。為安全起見,當偏壓功率不可用時,必須關閉開關電源供應器使用的功率裝置後才能斷開輸入和輸出的連接。為了模擬增強型裝置,將低壓MOSFET與GaN源串聯。圖1顯示了實現這一點的兩種不同配置:串接和直接驅動。
圖1 串接和直接驅動配置方式
接下來將比較功耗,並描述與每種方法相關的注意事項。在串接配置中,GaN閘極接地,並驅動MOSFET閘極以控制GaN裝置。由於MOSFET是矽元件,許多閘極驅動器都可輕鬆獲得。然而,由於GaN閘-源極電容(CgS)和MOSFET Coss必須在GaN裝置關閉前充電達到GaN臨界值電壓,因此這種配置顯示出更高的組合Coss。
在直接驅動配置中,MOSFET是打開的,且由接地電壓和負電壓(VNEG)之間的閘極驅動器驅動的GaN閘極打開/關閉組合裝置。此外,MOSFET Coss不需要充電。關閉GaN Cgs的電流來自於較低的偏壓電源。較低的供應電壓可提供相同的GaN閘-源極電荷(Qgs),以降低功耗。在開關頻率較高的情況下,這些功率差異會大幅增加。反向恢復Qrr損耗在串接配置中發揮作用。這是因為在第三象限傳導中,MOSFET呈關閉狀態,並通過內接二極體傳導。由於負載電流反向流動,MOSFET中出現儲存電荷。克服反向恢復電荷的電流來自高壓電源,會導致大量損耗。
然而,在直接驅動配置中,MOSFET始終處於開啟狀態,而其寄生二極體因為較低的RDSon而不開通;因此,在直接驅動配置中不存在與Qrr相關的功率損耗。
在串接配置中,關閉模式下GaN和MOSFET之間的電壓分布會使得MOSFET因高GaN汲-源極電容(Cds)而突崩。
一種解決方案是在MOSFET的汲極和源極並聯的情況下增加一個電容器。然而,這種方法只適用於柔性開關應用,在硬性開關應用中會產生高功耗。
由於GaN閘極與MOSFET的源級相連,因此無法控制串聯驅動中的開關速度。在硬性開關操作中,GaN Cgs、MOSFET Coss和MOSFET Qrr中有效Coss的增加,以及可能因防止MOSFET突崩所產生的電流傳導,會在初始充電期間產生更高的汲極電流。這種更高的汲極電流會導致串接驅動中的功耗更高。
MOSFET的汲極電荷足以關閉GaN裝置之後,汲極中Coss的驟降,加上流過功率迴路電感的汲極電流較高,導致串接配置中的開關節點產生過大的振鈴。圖2為硬性開關事件中的開關波形,在此模擬中,直接驅動配置在每次硬性開關事件中消耗的能量更少,即使其開關速度較低,振鈴也較小(直接驅動50V/ns時為4.2W,相較串接驅動150V/ns時為4.6W,均帶5A負載電流)。
圖2 硬性開關操作導致振鈴過大。
另一方面,直接驅動配置在開關操作過程當中可直接驅動GaN裝置的閘極。當不存在偏壓電源的時候,MOSFET閘極會被拉至接地,並且以與串接配置相同的方式來關閉GaN裝置。
只要存在偏壓電源,MOSFET會保持開啟狀態,且寄生電容和內接二極體會從電路中移除。直接驅動GaN閘極的優勢在於可以藉由設定對GaN閘極充電的電流來控制開關速度。對於升壓轉換器,驅動器電路的簡單模型如圖3所示。可以從這個模型中推導出方程式。
圖3 直接驅動配置的驅動路徑模型
公式1證明當GaN裝置具有足夠的閘-汲極間電容(Cgd)時,利用閘極電流,可透過米勒反饋(Miller Feedback)來控制開關事件的速度。對於Cgd較低的裝置來說,此種反饋將流失,且裝置的跨導(gm)控制著開關速度。
公式1
直接驅動配置的另一個優勢在於可以給閘極迴圈增加阻抗來抑制其寄生共振。抑制閘極迴圈也可以減小功率迴圈中的振鈴,使得GaN裝置上的電壓應力降低,減少硬式開關期間的電磁干擾(EMI)問題。
圖2的模擬顯示了以功率和閘極迴圈寄生電感為模型的降壓變換器中開關節點振鈴的差異。直接驅動配置有一個過衝量非常小的受控開關。然而,由於閘極迴圈中的初始COS、Qrr較高與較低的阻抗,串接驅動的振鈴和硬式開關損耗明顯更高。
整合閘極驅動器 GaN FET開關控制更順暢
以德州儀器(TI)旗下的LMG341X系列600V GaN裝置為例,該產品為首款整合GaN FET plus驅動器和保護特性的產品,並且是8mm×8mm的方形扁平無針腳(QFN)封裝多晶片模組(MCM),包含一個GaN FET和一個使用整合20V串聯FET的驅動器,總RDSon為75mΩ。
圖4為此裝置的方塊圖。閘極驅動器提供了GaN FET直接驅動能力,並具有一個內建的降壓/升壓轉換器來產生關閉GaN FET時所需的負電壓。閘極驅動器採用單一12V電源供電,並擁有一個內部低壓差穩壓器(LDO),可以用來生成為驅動器和其他控制電路供電的5V電源軌。內部欠壓鎖定(UVLO)電路保持安全FET關閉,直到輸入電壓高於9.5V。UVLO超過自身的臨界值時,降/升壓轉換器即打開並為負電源軌(VNEG)充電。一旦VNEG電源電壓超過其自身的UVLO,驅動器就會啟用。
圖4 單通道600V、76-ΩGaN FET電源極的方塊圖
與分離式GaN和驅動器相比,LMG341x系列的整合直接驅動裝置具有很多優勢。閘極驅動器的一大重要作用是在硬式開關事件期間對開關速度的控制。
另外該產品使用可程式化電流源來驅動GaN閘極。電流源提供阻抗來抑制閘極迴圈,並允許用戶以控制的方式將開關速度從30V/ns編程至100V/ns,以解決電路板寄生和電磁干擾問題。
藉由將串聯FET整合到驅動器的積體電路(IC)中,敏感FET和電流感測電路為GaN FET提供過電流保護。這一關鍵特性可以提升系統整體可靠性。這種電流感測方案在使用強化模式GaN裝置時是不適用的。當流過GaN FET的電流超過40A時,電流保護電路會跳脫。過電流事件發生後的60ns內,GaN FET會關閉,以防止晶片過熱。
藉由將驅動器晶片包裝在與GaN FET相同的晶片連接焊盤(DAP)上,驅動器晶片上的引線框架可以感測到GaN裝置的溫度。驅動器在過熱時可以透過停止GaN驅動來保護裝置。整合的GaN裝置也可以提供故障輸出,以通知控制器開關因為出現故障而停止。為了使用直接驅動方法來驗證操作,我們創建了一塊半橋式板,並將其配置為降壓轉換器;並使用ISO7831雙向位準偏移器來饋送高側驅動訊號,並恢復位準偏移故障訊號。
在圖5中,GaN半橋式配置從480V匯流排以1.5A的電壓以及100V/ns的開關速度切換。①表示開關節點波形,②表示感應器電流。硬式開關導通狀況較好,並有~50V過衝電壓。該波形使用1GHz示波器和探針測得,用來觀察是否存在任何高頻振鈴。快速地接通,加上截止電容的減少以及缺少反向恢復電荷,使得基於GaN的半橋式配置能夠高效地切換,甚至作為硬式開關轉換器。
圖5 降壓開關波形示例
總結來說,GaN在減少截止電容和無反向恢復方面提供的優勢開闢了在使用硬式開關拓撲結構的同時能保持高效率的可能。若要最大限度地發揮GaN帶來的優勢,則需要控制高開關速度,也因此需要一個最佳的組合封裝驅動器和精細的電路板布線技術。組合封裝驅動器有助於減少閘極迴圈寄生,以減小閘極振鈴。有了精細布線的印刷電路板(PCB),最佳化的驅動器就可以讓設計人員控制開關事件的速度,並將振鈴和電磁干擾降到最低。這一效果是通過GaN裝置的直接驅動配置實現的,而非串接配置。
而LMG341x系列元件能夠讓設計人員以30V/ns到100V/ns的開關速度控制各種裝置的開關。此外,驅動器可以提供過電流、過熱和欠壓防護。
(本文作者皆任職於德州儀器)
意法推出600V三相智慧關斷閘極驅動器
意法半導體(ST)新款STDRIVE601三相閘極驅動器用於驅動600V N通道功率MOSFET和IGBT電極體,穩定性位居目前業界最先進之水準,可耐受低至-100V的負尖峰電壓,邏輯輸入回應速度在85ns以內,處於同級產品一流水準。
STDRIVE601內建智慧關斷電路,可提升保護功能的啟動速度,在檢測到超載或短路後,立即關閉閘極驅動器輸出。用外部電容和電阻設定斷態持續時間,必要時,設計人員可以用較大的C-R值設定所需時間,而不影響關斷反應時間。STDRIVE601配備故障指示器腳位。
STDRIVE601可以替代三個半橋驅動器,簡化PCB電路板配置設計,優化三相馬達驅動器的性能,以驅動家電、工業縫紉機、工業驅動器和風扇等設備。
所有輸出均可灌入350mA電流,源出200mA電流,閘極驅動電壓範圍為9V~20V,可驅動N道功率MOSFET或IGBT電極體。低邊和高邊之間的延遲配對功能消除了週期失真現象,並允許高頻開關操作,而互鎖和死區特性可防止交叉導通。
STDRIVE601採用意法半導體的BCD6S離線功率開關製程,驅動電源是高達21V的邏輯電源電壓和高達600V的高邊自舉電壓。驅動器整合了自舉二極體,可節省物料清單成本,此外,低邊和高邊驅動電路皆具備欠壓鎖定(Under-Voltage Lockout, UVLO)功能,可防止電源開關在低效能或危險狀況下執行。
EVALSTDRIVE601評估板現已上市,可以幫助使用者發現更多STDRIVE601驅動器的功能,快速研發並執行首個原型系統。STDRIVE601晶片現已量產,其採用SO28封裝。
寬能隙材料來勢洶洶 SiC/GaN各有市場定位
碳化矽(SiC)與氮化鎵(GaN)是近年來最受矚目的化合物半導體新秀,除了應用在無線通訊之外,這兩種寬能隙材料在功率半導體領域,也有很大的發展潛力。相較於以矽為基礎的超接面場效電晶體(Super Junction MOSFET)或絕緣柵雙極電晶體(IGBT),GaN跟SiC最大的優勢在於可以實現更高的開關頻率、耐受電壓也更高,使電源系統的效率得以明顯提升。
另一方面,隨著電動車、電池儲能系統兩大應用展現出雄厚的市場潛力,雙向電力傳送又是車載充電器、充電樁與儲能電池轉換器必備的基本功能,這將使圖騰柱功率因素校正(Totem Pole PFC)拓撲成為車廠、Tier 1、充電設備商與儲能設備商在開發相關產品時的最佳選擇。而圖騰柱拓撲的流行,將會為GaN跟SiC功率元件搭起全新的舞台,因為現有的矽功率元件不適合用來實現圖騰柱拓撲。
電動車/綠能雙箭頭帶動 SiC搶攻高電壓市場
羅姆半導體(Rohm)設計中心副理唐仲亨(圖1)分析,就市場應用面來看,電動車的車載充電器、為電動車供電的充電樁,以及搭配太陽能、風力發電系統所使用的大型儲能系統,會是寬能隙功率元件最具主場優勢的應用。因為這類應用需要具備雙向電力傳送的能力,因此不管是車載充電系統、充電樁或儲能系統的轉換器,都需要採用圖騰柱拓撲。然而,圖騰柱拓撲需要使用兩個體二極體作為高頻整流開關,除了驅動控制較為複雜,如果使用傳統矽二極體,因為其恢復時間較慢,電流倒灌所引發的損耗大,會嚴重降低電源轉換的效率;如果採用IGBT,雖然其恢復時間夠快,但IGBT的導通壓降比較大,也會產生很高的效率損失。
圖1 羅姆半導體設計中心副理唐仲亨分析,電動車與儲能將是帶動SiC市場成長的主要引擎。
因此,如果電源設計者想實現圖騰柱拓撲,最理想的選擇將是GaN或SiC。不過,如果是充電樁或大型儲能系統,甚至軌道運輸這類應用,因為其功率需求都非常高,在此前提下,SiC會是比GaN更合適的選擇。目前已經商品化的GaN FET,耐受電壓通常為600V或650V,但SiC則是1,200V起跳,未來更會一路向上發展到3,300V。在需要超大功率傳輸的應用上,SiC具備先天優勢。
另一方面,學術界目前在提高GaN FET的耐受電壓方面,最近已有所突破,成功地將GaN FET的耐受電壓提高到900V。但唐仲亨認為,從應用面的角度來看,這個耐受電壓規格其實有些尷尬。他解釋,在一般家電或消費性電子產品應用,如果要推出一款可以適用全球電壓的產品,母線電壓的規格通常會訂在400V,對功率元件的耐壓要求則會落在600V或650V。如果是工業用產品,因為是三相供電,所以母線電壓會提高到800V,功率元件的耐壓要求則是1,200V,或是在某些特殊的系統設計中,仍可使用耐壓650V的元件。900V耐壓對GaN FET來說,有技術發展里程碑的意義,但從實際應用的角度來看,因為消費性電子不需要900V耐壓,主流工業設備則需要1,200V耐壓,所以GaN FET耐壓提高到900V,其實無助於拓展GaN FET的應用市場。
SiC價格仍高 供應商想方設法降成本
以目前的市場行情來說,650V GaN FET的價格,大約只有1,200V SiC FET的三成左右。因此,如果SiC元件供應商想搶攻650V以下的應用,是相當困難的挑戰。這也帶出了SiC元件在應用推廣上一直遇到的瓶頸--價格問題。SiC材料的價格本來就比矽跟GaN高出一大截,因此,如果要比元件價格,SiC先天上就處於不利地位。這也使得SiC元件供應商必須設法從兩個面向來解決問題,一是降低元件本身的成本,二是幫助客戶降低系統總成本。
目前SiC元件供應商的生產線多半都還在從四吋晶圓提升到六吋晶圓的過程中,例如羅姆目前就是四吋跟六吋各半,僅英飛凌(Infineon)已經全面採用六吋晶圓量產。另一方面,目前投入SiC元件市場的業者,很多都還採用平面結構,這使得元件的裸晶尺寸(Die Size)很難持續降低。相較之下,採用溝槽式結構的SiC元件,理論上會有更大的尺寸微縮空間。不過,目前採用溝槽式結構的SiC元件供應商,也只有羅姆跟英飛凌兩家。
英飛凌(Infineon)工業電源控制事業處主任工程師林彥任(圖2)表示,其實該公司會選擇溝槽式結構,主要還是從提高元件可靠度的角度切入。工業電源領域最重視的還是元件可靠度,採用平面結構的SiC,在技術上很難做到跟IGBT媲美,但溝槽式架構可以將SiC元件的可靠度拉高到接近IGBT的水準,這是英飛凌決定走溝槽式路線的最主要原因。但不可諱言的是,溝槽式結構理論上確實也有較大的成本降低空間。因為溝槽式結構是在垂直方向上發展,所以比起平面式結構,單一元件占用的晶圓面積可以做得比較小。
圖2 英飛凌工業電源控制事業處主任工程師林彥任表示,SiC成本偏高的問題,供應商要雙管齊下才能解決。
值得一提的是,除了量產使用的晶圓大小、裸晶尺寸外,在降低生產成本方面,英飛凌還把腦筋動到晶圓的厚度上。由於SiC材料的硬度較高,相對也比較脆,因此在從晶柱切割出晶圓時,為避免破片,每片晶圓的厚度遠超過後續元件製程所需的厚度,形成材料浪費。再加上SiC材料本來就貴,因此若能降低晶圓的厚度,對降低元件生產成本,可以帶來極大幫助。
這也是英飛凌先前決定斥資1.24億歐元購併Siltectra的原因之一。Siltectra擁有獨特的Cold Split切割技術,可以在碳化矽晶圓完成製程步驟後,將一片晶圓再等分切割出第二片,等於讓材料利用率提升一倍。目前碳化矽晶圓供應商提供的晶圓,厚度可達350微米,但如果是要用來製造FET元件,其實晶圓厚度只需現有晶圓的數十分之一便已足夠。Cold Split技術讓英飛凌得以把一片晶圓當成兩片用,而且不會影響晶片的良率跟特性。
至於在降低客戶的系統總成本方面,英飛凌的評估認為,雖然SiC元件跟現有元件有明顯價差,且在可預見的未來,都很難做到比矽元件便宜,但如果能將切換頻率拉高到40kHz,則整個電源系統的成本,將因為磁性材料等周邊元件用量減少,而帶來15~20%的節省效果。
GaN主攻消費性/伺服器電源 高整合方案勢在必行
相較於主攻高電壓應用市場的SiC,GaN則是靠著高速切換、低損耗且價格較貼近現有矽元件的優勢,可望在消費類及IT基礎建設領域找到應用商機。然而,由於GaN的材料特性與矽不同,使得GaN HEMT(或稱GaN FET,因其功能與MOSFET相當,但基於GaN材料,故稱為GaN FET以資區別)跟工程師已經十分熟悉的MOSFET,在驅動跟控制方法上有許多出入,再加上GaN FET若要完全發揮其高速切換的潛力,必須把驅動控制跟FET整合在一起,這將使得以GaN功率元件走向以高整合度為主流的發展道路。
德州儀器(TI) GaN、電源管理與半導體營運成長及戰略行銷長Masoud...
意法IGBT專為軟切換優化而設計
意法半導體(ST)新推出之STGWA40IH65DF和STGWA50IH65DF 650V STPOWER IGBT兩款新產品能夠在軟切換電路中帶來最佳導通和切換性能,提升諧振轉換器在16kHz-60kHz切換頻率範圍內的效能。
新的IH系列元件是意法半導體針對軟切換應用專門優化之溝槽式場截止電晶體(Tench Field-Stop, TFS) IGBT產品家族,適用於電磁爐等家電以及軟切換應用的半橋電路。現在產品設計人員可以選擇這些IGBT,來達到更高效能的等級。除了新的IH系列外,意法半導體的軟切換用溝槽式場截止電晶體IGBT系列產品還包括用於電源、焊機和太陽能轉換器的HB和HB2系列。
STGWA40IH65DF和STGWA50IH65DF的額定電流分別為40A和50A,適用於最高4kW功率的應用。1.5V低飽和電壓(VCE(sat))(標稱電流時的典型值)和內部低壓降續流二極體,讓這些先進的IGBT兼具出色的導通性能和僅0.19mJ的低關斷損耗(40A的STGWA40IH65DF的典型值)。
IH系列IGBT的最高接面溫為175°C,低熱阻,VCE(sat)正溫度係數,可靠性更高。STGWA40IH65DF和STGWA50IH65DF IGBT採用TO-247長線腳功率封裝。意法半導體將在近期推出採用TO-247長線腳封裝和TO-220封裝的20A和30A產品。
PI宣布推出SCALE-iFlex閘極驅動器系統
Power Integrations(PI)宣布推出SCALE-iFlex閘極驅動器系統,該系統適用於 IGBT、混合與碳化矽(SiC)MOSFET功率模組(具有1.7 Kv~4.5 kV的阻隔電壓)。該系統由一個中央隔離主控制(IMC)和一到四個模組適配的閘極驅動器(MAG)所組成。IMC可提供4.5 kV阻隔電壓。一系列MAG可用於為各種功率模組、供應商以及1700 V、3300 V和4500 V電壓等級的半導體切換技術提供服務。
SCALE-iFlex 閘極驅動器系統可輕鬆並聯業界最新的雙功率模組,以最少的開發工作量提供可靠且高度靈活的系統可擴充性。MAG的位置緊鄰模組的控制端子,可提供出色的切換效能,而IMC在MAG和使用者的MCU處理功能(如PWM指令、短路和欠壓故障報告,以及NTC和直流鏈電壓測量)之間可執行所有必要的通訊。
根據EN 50124-1、IEC 61800-5-1和UL 61800-5-1,IMC可用於具有增強型絕緣的電氣或光纖介面(適用於1700 V和3300 V功率模組)。光纖IMC還滿足4500 V 半導體的基本絕緣要求。裝置採用雙面保形塗層;裝置經過全面的電路內測試 (ICT),並進行100% HIPOT和部分放電測試,以確保無與倫比的可靠性。這些裝置具有全套保護功能,例如欠壓鎖閉、採用進階緩關機(ASSD)的短路保護和具有增強型絕緣(高達3300 V)的NTC溫度感測。
Power Integrations的技術產品經理Thorsten Schmidt表示,SCALE-iFlex閘極驅動器系統已針對所有領先模組製造商的最新1700 V~3300 V額定功率模組進行了最佳化。該系統可為要求苛刻的應用提供極致的可靠性,例如風力渦輪機變頻器、工業驅動器以及鐵路應用的主要推進和輔助變頻器。
TrendForce:電動車帶動IGBT產值2021年突破52億美元
根據TrendForce旗下拓墣產業研究院報告指出,電動車已成為汽車產業未來的主要成長動能,預估在2021年將突破800萬輛,為2018年的兩倍。由於電動車除了電池與發動機外,關鍵零組件以IGBT功率元件最為重要,其使用量約為傳統內燃機引擎汽車的5至10倍之多,因此將帶動IGBT市場總值持續成長,預估2021年IGBT的市場總值將突破52億美元。
拓墣產業研究院指出,電動車使用到IGBT的裝置主要有五項,包含逆變器、直流/交流電變流器、車載充電器、電力監控系統以及其他附屬系統。其中,逆變器、直流/交流電變流器以及車載充電器對電動車性能表現影響最為關鍵,在配合高電壓高功率的工作條件下,功率元件的採用需替換成IGBT元件或IGBT模組,對IGBT元件的需求量最大;而電力監控系統與其他附屬裝置如水幫浦、空調壓縮機等在設計上雖然與過往差異不大,但由於輸入電源變更為高電壓的車用電池,因此承受電力的功率元件也需更改為適合高電壓工作範圍的IGBT功率元件,挹注IGBT市場需求。
就供應鏈來看,電動車IGBT元件的主要IDM供應商為Infineon、ON Semiconductor、Fuji Electronic、STMicroelectronics、DENSO、BYD等。其中Infineon在整體IGBT市場市占率達三成居於首位,提供IGBT元件與IGBT模組;DENSO與BYD雖為汽車製造商,但對於電動車使用的IGBT元件也有自行設計製造的能力,是少數從汽車製造跨足半導體領域的廠商。
另外,由IDM廠委外代工IGBT元件供應鏈包含晶圓代工廠世界先進、茂矽等台系廠商,中芯、華虹半導體等陸系大廠則供應其國內需求。在電動車IGBT模組部分,有Mitsubishi、SEMIKRON、Danfoss、CRRC等專門從事IGBT模組化供應給客戶。
根據拓墣產業研究院的統計,2016年至2018年,電動車數量年成長率分別為28%、29%、27%,對照2015年以前的年成長率僅個位數,推升IGBT總值大幅成長。2018年全球IGBT市場總市值規模約47億美元,年成長率達16%。
ROHM開發車電用RGS系列1200V耐壓IGBT符合AEC-Q101標準
半導體製造商ROHM新推出四款支援車電產品可靠性標準AEC-Q101的1200V耐壓IGBT「RGS系列」產品。該系列產品非常適用於電動壓縮機的逆變器電路和PTC加熱器的開關電路,而且導通損耗更低,達到業界頂級水準,非常有助於應用的小型化與高效化。另外,加上已經在量產中的650V產品,該系列共擁有11種機型,產品系列豐富,可滿足客戶多樣化需求。
該系列產品已於2019年1月份開始暫以月產100萬個的規模投入量產。前段製程的製造據點為LAPIS Semiconductor Miyazaki,後段製程的製造據點為ROHM Integrated Systems。
近年來,隨著環保意識提升和燃油價格上漲,電動車的市場需求不斷成長。搭載引擎的傳統車輛,壓縮機的動力來源為引擎,而隨著電動車的增加,壓縮機也日益朝向電動化,而且其市場規模也在不斷擴大。另外,傳統汽車空調暖氣,是利用引擎運行的廢熱;如今以PTC加熱器為熱源,使溫水循環達到暖氣系統功能等的需求也在日益增加。由於驅動頻率較低,這些應用的逆變器電路和開關電路中所使用的半導體主要是IGBT,尤其對於電動車來說,壓縮機和加熱器的功耗會影響續航距離,因此需要更高的效率。
另一方面,為了延長電動車(EV)的續航距離,電池容量也呈現日益增加的趨勢。特別是在歐洲,採用高電壓(800V)電池的汽車越來越多,這就需要更高耐壓且損耗更低的功率元件。因此,除了650V耐壓的IGBT產品外,對1200V耐壓IGBT的需求也日益增加。
在這種背景下,ROHM研發出符合車電產品可靠性標準AEC-Q101的1200V耐壓產品,與650V耐壓產品共同構成了豐富的產品系列。RGS系列實現了業界領先的低導通損耗(Vce(sat.)),非常有助於應用的小型化和高效化。此外,1200V耐壓產品的短路耐受時間為10μsec(Tj=25℃),即使在要求高可靠性的車電領域中也可安心使用。
意法650V高頻IGBT利用高速切換技術提升性能
意法半導體(ST)新推出之HB2 650V IGBT系列採用最新的第三代溝槽式場截止(Trench Field Stop, TFS)技術,可提升PFC轉換器、電焊機、不斷電供應系統(Uninterruptible Power Supply, UPS)、太陽能逆變器等中高速應用設計的效能和性能。該系列還包括符合AEC-Q101 Rev. D標準的車用產品。
新款HB2系列屬於STPOWER™產品家族,較低的1.55V VCEsat飽和電壓使導通性能更為出色;而更低的閘極電荷使其能夠在低閘極電流狀態下快速切換,提升動態切換性能;出色的散熱功能則有助於最大限度地提升可靠性和功率密度,同時新系列亦是市面上極具競爭力的產品。
HB2系列IGBT針對內部二極體提供三個不同的選擇:全額定二極體、半額定二極體或防止意外反向偏壓的保護二極體,其為開發者提供更多的設計自由,還可以根據特定應用需求優化動態效果。全新650V元件的首款產品40A STGWA40HP65FB2現已上市,其採用TO-247長線腳封裝。
2019年功率元件產業規模再創新高達171億美元
根據產業研究機構IC Insights的2019年光電-感測/致動器-離散元件(OSD)報告,功率電晶體的銷售額成長率達到兩位數,2018年成長14%,達到創紀錄的163億美元,繼2017年成長11%的紀錄後,再度創下歷史新高。光電、感測器/執行器和離散元件的市場分析和預測。功率電晶體的強勁成長進入2019年第一季,全球銷售額與2018年同期相較成長了近10%,但預計2019年下半年成長率將大幅放緩。2019年功率電晶體的銷售額將成長5%,達到創紀錄的171億美元,然後在2020年下降2%,達到168億美元。
在過去兩年中,功率電晶體收入受到強勁的單位出貨量和由於設備短缺導致的價格上漲以及沒有足夠的製造能力來滿足需求的推動而走高。IC Insights的2019年O-S-D報告顯示,2018年功率電晶體出貨量在2018年成長8%,達到創紀錄的628億顆,該公司預計今年的整體產能將增加6%,達到667億顆。功率電晶體的平均銷售價格在2018年成長了近6%,其中一些廣泛使用的元件(如Power MOSFET)的交貨週期在去年下半年超過40週,而正常市場條件下為8週。
功率電晶體製造商在過去一年中穩步增加了製造能力,但大多數供應商仍在努力趕上2019年第一季的需求。大多數功率電晶體產品的供貨吃緊狀況,將在下半年紓解,原因是全球經濟放緩以及2020年初設備出貨需求成長放緩。如果不解決,中美之間日益激烈的貿易戰也可能對2019年的電晶體市場產生負面影響。
根據新的O-S-D報告,2018年除了一個功率電晶體產品類別外,所有類別的產品銷售都成長,但射頻/微波功率電晶體除外,其年度下降了近1%。2018年功率電晶體銷售成長最強勁的是40~100V應用的功率FET,成長了21%,絕緣柵雙極電晶體(IGBT)成長20.3%。其他主要的功率電晶體在2018年表現出強勁的銷售成長:功率FET用於高達40V的應用(+17%);功率FET適用於100~200V應用(+16%);和IGBT功率模組(+15%)。報告稱,場效應電晶體(包括模組系統中使用的電晶體)占2018年總功率電晶體銷售額的58%。IGBT產品總量(模組和離散電晶體)占2018年功率電晶體銷售額的32%。
在2017年和2018年連續兩年兩位數的成長泡沫之後,預計未來五年內功率電晶體市場將恢復到中低個位數百分比範圍內更正常的成長,除外OSD報告預測2020年將下降2%。預計2018年至2023年期間,功率電晶體的銷售額將以3.3%的年複合成長率(CAGR)成長,預計全球產業規模將達到192億美元。