1.前言
近年來，全球耗電量逐年增加，在工業(yè)和交通運輸領域的成長尤為顯著。另外以化石燃料為基礎的火力發(fā)電和經(jīng)濟活動所產(chǎn)生的CO2（二氧化碳）排放量增加已成為嚴重的社會問題。因此為了實現(xiàn)零碳社會，努力提高能源利用效率並實現(xiàn)碳中和，已成為全球共同的目標。
在這種背景下，ROHM致力透過電子技術解決社會問題，專注開發(fā)在大功率應用中可提升效率的關鍵—功率半導體，並提供相對應的電源解決方案。本文將透過「Power Eco Family」的品牌理念，介紹為構建應用生態(tài)系統(tǒng)做出貢獻的ROHM功率半導體以及相關研發(fā)成果。
2.市場需求和ROHM的行動
近年來，隨著電動車、能量採集等眾多領域用電量的快速成長，對於各類應用中所配備的電源系統(tǒng)，可以實現(xiàn)高效率、小型化、輕量化等性能面的提升。因此市場要求功率半導體也要具有更高的性能和更強的嚴苛環(huán)境對應性。具體而言，就是要具備高速開關性能、低損耗和出色的散熱性能等特性。同時功率半導體的應用範圍也在不斷擴大，需求量也與日俱增。
多年來，ROHM在功率半導體領域累積了豐富的專業(yè)經(jīng)驗和技術力，其中包括了全球首次*量產(chǎn)SiC（碳化矽）MOSFET。另外預計相關產(chǎn)品的市場需求會進一步擴大，ROHM也在不斷開拓新的產(chǎn)品領域，比如將作為新世代半導體與SiC同樣備受關注的GaN（氮化鎵）產(chǎn)品投入量產(chǎn)。下圖1中列出了ROHM功率半導體所對應的Power Capacity（縱軸）和Operating Frequency（橫軸）範圍。長期以來作為半導體材料的Si（矽），其相對應的功率半導體包括「EcoMOS™」和「EcoIGBT™」。另外新世代半導體SiC元件「EcoSiC™」涵蓋了需要超高耐壓和高速開關的市場領域；而GaN元件「EcoGaN™」則涵蓋了需要超高速開關的市場領域。ROHM將這四大產(chǎn)品群統(tǒng)稱為「Power Eco Family」，助力提高應用產(chǎn)品的性能來為構建應用生態(tài)系統(tǒng)做出貢獻。下面將按照品牌分別進行介紹。
*截至2025年1月 ROHM調查
| 圖1 : Power Eco Family產(chǎn)品群在不同Power Capacity × Operating Frequency範圍的分佈圖(「EcoSiC™」、「EcoGaN™」、「EcoIGBT™」、「EcoMOS™」是ROHM Co., Ltd.的商標或註冊商標。) |
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3.構成「Power Eco Family」的四大品牌
3-1關於EcoSiC™
EcoSiC™是採用了因性能優(yōu)於Si而在功率元件領域備受關注的SiC元件品牌。
ROHM自2010年在全球率先實現(xiàn)SiC MOSFET的量產(chǎn)以來，已經(jīng)自主開發(fā)了從SiC晶圓製造到元件結構、製程、封裝和品質管理方法等SiC元件所需的各種技術。另外ROHM還提供各種形式的SiC元件，其中包括SiC裸晶片、SiC SBD和SiC MOSFET等Discrete元件及SiC模組。不僅如此，為滿足SiC市場不斷擴大的需求，ROHM於2023年開始生產(chǎn)8英吋基板，並計畫從2025年開始量產(chǎn)並銷售相關元件產(chǎn)品。在日本宮崎縣國富町新建的宮崎第二工廠，一部分生產(chǎn)線已正式進入試作稼動階段。該工廠透過收購另一家公司的廠房及無塵室，實現(xiàn)了快速有效的投資，還獲得了日本政府經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)省的支援。ROHM正在透過這些努力，不斷強化快速成長的SiC市場需求對應能力。
在車載設備領域，xEV牽引逆變器對SiC的需求成長最快，加速SiC產(chǎn)品在相關應用中的導入。例如2024年8月，吉利的高階電動車品牌「ZEEKR」牽引逆變器採用ROHM裸晶片。另外ROHM還專注於模組開發(fā)，推出了非常適合驅動牽引逆變器的封裝型SiC模組TRCDRIVE pack™。該TRCDRIVE pack™成功實現(xiàn)了業(yè)界頂級功率密度，有助逆變器的小型輕量化，Valeo的次世代逆變器也已經(jīng)計畫採用（圖2）。綜上所述，ROHM的EcoSiC™因具備領先業(yè)界的元件技術、靈活的商業(yè)模式和穩(wěn)定的供貨體系等優(yōu)勢，獲得了客戶高度好評，及全球130多家公司的Design-Win。
| 圖2 : 實現(xiàn)了業(yè)界頂級功率密度的TRCDRIVE pack™(「TRCDRIVE pack™」是ROHM Co., Ltd.的商標或註冊商標。) |
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在工業(yè)設備領域，ROHM還針對PV逆變器（太陽能發(fā)電逆變器）、EV充電樁、DC-DC轉換器等應用積極擴充產(chǎn)品陣容。目前正在開發(fā)1,500V系統(tǒng)用的2kV耐壓SiC MOSFET，並計畫繼續(xù)強化對高電壓工業(yè)設備應用的支援。關於SiC SBD，ROHM已經(jīng)擁有650V～1,700V的Discrete或裸晶片等產(chǎn)品陣容，相關產(chǎn)品不僅在光伏逆變器相關應用中被廣泛採用，在電動車充電樁的PFC單元等應用中也越來越多被採用。此外在工業(yè)設備領域，ROHM還正在加速建立向模組製造商提供SiC裸晶片的商業(yè)模式，例如加強與SEMIKRON在車載設備和工業(yè)設備領域的合作，並已經(jīng)開始為其提供SiC和IGBT裸晶片。
在產(chǎn)品開發(fā)方面，ROHM正在進行下一世代、即第5代SiC MOSFET的開發(fā)，計畫於2025年推出。與目前的第4代產(chǎn)品相比，第5代產(chǎn)品在高溫條件下工作時的導通電阻預計會降低約30%，有助進一步提高效率。另外ROHM還透過縮短產(chǎn)品開發(fā)週期，來快速回應市場變化並滿足客戶需求。
●應用示例
工業(yè)設備：光伏逆變器、UPS（不斷電系統(tǒng)）、EV充電樁、DC-DC轉換器
車載設備：牽引逆變器、輔助逆變器、OBC（車載充電器）、DC-DC轉換器
3-2關於EcoGaN™
EcoGaN™是透過大幅發(fā)揮GaN的性能，助力應用產(chǎn)品進一步節(jié)能和小型化的ROHM GaN元件品牌，該系列產(chǎn)品有助應用產(chǎn)品進一步降低功耗、實現(xiàn)週邊元件小型化、減少設計工時和元件數(shù)量。該品牌不僅包括GaN HEMT單顆產(chǎn)品，還包括內建控制器、搭載GaN的IC產(chǎn)品。另外EcoGaN™期望成為「易用的GaN元件」，並促進GaN在各種應用中的導入。這將有助應用產(chǎn)品實現(xiàn)高效工作，進而為實現(xiàn)無碳社會做出貢獻。
2022年ROHM的第一個EcoGaN™產(chǎn)品系列150V耐壓GaN HEMT實現(xiàn)量產(chǎn)，2023年實現(xiàn)業(yè)界頂級元件性能（RDS（ON）×Ciss / RDS（ON）×Coss）的650V耐壓GaN HEMT投入量產(chǎn)。該產(chǎn)品已經(jīng)被臺達電子旗下品牌Innergie的「C4 Duo」、「C10 Duo」等AC Adapter採用，為AC Adapter的小型化和高效工作做出貢獻。
與Si元件相比，GaN元件可以提高應用產(chǎn)品效率，並實現(xiàn)電感和散熱元件的小型化，但因其閘極驅動非常困難，處理難度之高已成為阻礙GaN元件普及的一個障礙。ROHM不僅提高了GaN HEMT單品性能，還致力將其與融入ROHM擅長的類比技術優(yōu)勢的LSI相結合，實現(xiàn)「易用的GaN」。將650V耐壓GaN HEMT和閘極驅動器等元件一體化封裝的Power Stage IC（SiP：System in Package）「BM3G0xxMUV-LB」就是第一款根據(jù)該理念所開發(fā)並實現(xiàn)量產(chǎn)的產(chǎn)品（圖3）。該產(chǎn)品可輕鬆替換現(xiàn)有的Si MOSFET，而且可使元件體積減少約99%，功率損耗減少約55%。今後ROHM還計畫開發(fā)採用超高速脈衝控制技術Nano Pulse Control™的GaN驅動用控制器IC等產(chǎn)品，加速普及「易用的GaN元件」，為進一步提高電源效率貢獻力量。此外ROHM還計畫將配備功率因數(shù)校正電路（PFC）的Power Stage IC和配備半橋電路的產(chǎn)品投入量產(chǎn)，預計到2026年ROHM將可以提供融合GaN HEMT、閘極驅動器IC和控制器IC於一體的整合型解決方案。另外在EcoGaN™專頁中，也同時公開了包括開發(fā)中產(chǎn)品在內的最新EcoGaN™解決方案相關資訊。
預計GaN元件市場將在2020年代後半開始出現(xiàn)快速成長，有望被廣泛運用於車載領域的OBC等應用。在車載GaN元件的開發(fā)和量產(chǎn)方面，ROHM計畫透過各種行動，靈活利用委外代工和OSAT，來加速車載GaN元件的量產(chǎn)上市。
| 圖3 : Power Stage IC的優(yōu)勢 |
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●應用示例
工業(yè)設備：伺服器電源、基地臺電源
消費電子：AC Adapter（USB充電器）、無線路由器
車載設備*：OBC（車載充電器）、DC-DC轉換器
*車載產(chǎn)品目前正在開發(fā)中，預計於2026年起生產(chǎn)。
3-3關於EcoIGBT™
EcoIGBT™是ROHM所開發(fā)的IGBT產(chǎn)品，包括元件和模組在內的品牌名稱，非常適用於對耐壓能力要求高的功率元件領域。目前IGBT的性價比優(yōu)於SiC MOSFET，因此在注重成本的大功率應用、和不要求小型化的應用市場中，其需求量依然很高。ROHM預計今後IGBT市場將會持續(xù)擴大，因此正在積極進行相關的技術研發(fā)。
ROHM於2010年開始進行IGBT的研發(fā)，並於2012年開始量產(chǎn)。目前已經(jīng)在包括日本滋賀工廠在內的多個生產(chǎn)據(jù)點進行生產(chǎn)。2024年ROHM推出了最新一代（第4代）的IGBT產(chǎn)品—1,200V耐壓「RGA系列」（圖4）。該產(chǎn)品實現(xiàn)了業(yè)界頂級特性，與傳統(tǒng)產(chǎn)品相比，功率損耗減少了35%，短路耐受時間提高到10μs，因此已被車載電動壓縮機和工業(yè)逆變器等採用或考慮採用。另外該產(chǎn)品也已成功導入SEMIKRON-Danfoss功率模組。
對於IGBT而言，如何優(yōu)化特定應用所需要的特性是非常重要的。例如汽車空調的電動壓縮機相關產(chǎn)品注重短路耐受能力，光伏逆變器等產(chǎn)品則需要減少開關損耗。ROHM為了充分平衡這些產(chǎn)品特性，正在根據(jù)應用需求對元件結構和雜質濃度等進行精細調整，以設計出滿足客戶需求的產(chǎn)品。今後ROHM還計畫推出650V耐壓的「RGE系列」和「RGH系列」等新產(chǎn)品系列，以滿足眾多應用（比如車載OBC、光伏逆變器等工業(yè)設備和空調等消費電子產(chǎn)品）的需求。另外ROHM還致力開拓將IGBT和閘極驅動器IC相結合的IPM（智慧功率模組）市場，透過功率損耗和雜訊更低的產(chǎn)品，強化在IPM市場的競爭力。
ROHM也已經(jīng)著手開發(fā)第5代IGBT，目標是在2026年到2027年推出新產(chǎn)品。第5代產(chǎn)品不是現(xiàn)有技術的延伸，而是透過全新元件結構來進一步提高性能。關於IGBT市場，雖然受到SiC元件逐漸普及的影響，但ROHM認為在工業(yè)設備和車載設備為主的市場中IGBT仍會持續(xù)成長，因此計畫在未來持續(xù)擴大EcoIGBT™的產(chǎn)品陣容。
| 圖4 : 三相逆變器採用第4代IGBT「RGA系列」和傳統(tǒng)市場競品的比較 |
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●應用示例
工業(yè)設備：工業(yè)逆變器、工業(yè)機器人
消費電子：空調、冰箱、洗衣機
車載設備：車載電動壓縮機、輔助逆變器、車載HV加熱器、OBC（車載充電器）
3-4關於EcoMOS™
EcoMOS™是ROHM所開發(fā)耐壓在600V以上的Si MOSFET，是包括元件和模組在內的品牌名稱，非常適用於功率元件領域對耐壓能力要求高的應用。EcoMOS™採用的是在保持耐壓能力的同時，可降低導通電阻（RDS（ON））並減少閘極電荷（Qg）的Super Junction技術。
EcoMOS™適用於冰箱、電動車充電樁和伺服器電源等眾多應用。由於這些產(chǎn)品有很多參數(shù)（比如重視雜訊性能或開關性能等不同性能的參數(shù)），ROHM提供的產(chǎn)品陣容豐富，客戶可以根據(jù)需求進行靈活選擇。例如與市場競品相比，開關損耗減少約30%且實現(xiàn)了低雜訊特性的「R60xxRNx」系列，非常適用於冰箱和換氣扇等注重雜訊性能的小型馬達驅動應用。另外存在權衡取捨關係的反向恢復時間（trr）和導通電阻（RDS（ON））同時得到改善、開關損耗比市場競品降低約17%的「R60xxVNx」系列，非常適用於處理大功率的電動車充電樁和伺服器等電源電路，以及日益普及的變頻空調等的馬達驅動應用（圖5）。
| 圖5 : R60xxVNx系列與市場競品的開關損耗比較 |
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●應用示例
工業(yè)設備：電動車充電樁、光伏逆變器、伺服器
消費電子：空調、冰箱、換氣扇
4.結語
本文介紹了構成「Power Eco Family」的四大品牌產(chǎn)品。ROHM對每一個品牌都非常注重產(chǎn)品開發(fā)速度、應用產(chǎn)品設計過程中的支援體系強化以及穩(wěn)定供貨，並考慮合作生產(chǎn)和聯(lián)合開發(fā)。透過助力應用產(chǎn)品節(jié)能和小型化，為減少全球的耗電量和產(chǎn)品原料量貢獻力量。透過與所有利益相關者共同擴大「Power Eco Family」產(chǎn)品線，為構建應用生態(tài)系統(tǒng)做出貢獻（圖6）。
| 圖6 : 透過擴大「Power Eco Family」產(chǎn)品線，構建應用生態(tài)系統(tǒng) |
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?文中所有內容均為截至2025年1月的資訊。
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