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从工业到汽车,东芝在功率器件市场的布局

电子发烧友网报道(文/程文智)近几年来,新能源汽车发展迅猛,与之配套的汽车功率器件也发展迅速,不少厂商开始针对汽车应用开发新的产品。比如说SiC就是一个典型,自从特斯拉在Model 3上使用之后,SiC在汽车中的用量开始增加,现在已经有不少厂商都推出了车规级的SiC产品。

东芝作为先进的半导体制造商,在SiC产品方面布局多年,目前已经推出了SiC MOSFET、SiC SBD,及SiC MOSFET模块等多种类型的产品。在PCIM Aisa 2021展上,东芝电子元件(上海)有限公司分立器件战略业务企划统括部,分立器件应用技术部门高级经理屈兴国就向我们介绍了东芝一系列SiC产品。他表示:由于SiC与硅相比耐压性更高,损耗更低,被广泛认为是下一代功率器件的材料,目前其主要应用于列车逆变器中,但随着技术不断发展,今后还有可能会在工业设备的各种光伏发电系统和电源管理系统中扮演重要角色。

推陈出新,东芝力量撬动SiC器件发展

尽管SiC器件备受业界关注,但可靠性和成本因素仍然阻碍了SiC器件的使用和市场增长。据屈兴国先生介绍,目前,市场对全SiC MOSFET的价格接受度是对IGBT或MOSFET模块价格的5倍左右,而现在全SiC MOSFET的价格是后者的10倍以上。对可靠性问题,他谈到,当电流流过位于功率MOSFET源极和漏极之间的PN二极管时,晶体缺陷会扩大,这会增加导通电阻,并降低器件可靠性。

为了应对这个问题,东芝开发了一种新型的器件结构,即肖特基势垒二极管(SBD)内嵌式MOSFET。该结构通过在MOSFET中放置一个与PN二极管并联的肖特基势垒二极管以防止PN结二极管运行;相较于PN结二极管,内嵌肖特基势垒二极管的通态电压更低,电流通过内嵌肖特基势垒二极管,可抑制导通电阻的变化。

新器件结构是对肖特基势垒二极管内嵌式MOSFET器件的修改,通过应用25%的工艺缩小和优化设计来加强肖特基势垒二极管对PN二极管中电流的抑制。与东芝目前的器件结构相比,采用了新器件结构的3300V芯片结构在175℃时的电流密度增加了一倍以上,同时并未造成任何可靠性的损失。新器件结构还可在室温下将3300V芯片的导通电阻降低约20%,并可将1200V芯片的导通电阻降低约40%。

据了解,今年5月份开始,东芝采用新型器件结构的3300V碳化硅功率模块样品已经出货。

而为了提高SiC使用的性价比,东芝也研发了SiC混合模块,即将SiC SBD芯片与IGBT芯片集成在一起,这样可以利用SiC SBD芯片的快速反向恢复和低损耗的特性,增强IGBT的性能,同时降低模块的大小。目前东芝可以提供3300V,1500A的产品和1700V,1200A模块。不过,屈兴国表示,此类产品在国内的推广效果并不理想,因为国内厂商对这种折衷方案并不是太认可,国内厂商更关注纯SiC产品,他们希望可以提供最先进的方案,或是成本更低的方案,因此,SiC混合模块只能作为是一个过渡型产品来推广,未来应该会过渡到SiC MOSFET上去。

独特的IEGT器件,彰显东芝实力

除了SiC产品,在本次展会上东芝的一系列IEGT产品也吸引着观展者的目光。东芝IEGT,即Injection Enhanced Gate Transistor的简称,是东芝在上世纪90年代创造的一个名称,可以把它理解为东芝特制的IGBT。上世纪九十年代,东芝率先采用栅极注入增强技术以降低IGBT器件的静态损耗,当时东芝特意为这个名称注册了商标,并将这个名称保护起来。

屈兴国表示,东芝的IEGT大功率器件目前主要有两种类型,一类是应用在风力发电、HVDC输配电的压接式(PPI)产品;一类是主要应用于风力发电和电力机车的模块封装(PMI)产品。当然,这两类产品都可以用于工业驱动。

压接式封装的IEGT(PPI)产品具有四大优势,即内部芯片无引线键合比较容易实现高可靠性;可双面散热从而实现高散热性能;便于多颗器件串联应用;采用陶瓷外壳封装,具有防爆结构。

电子发烧友网了解到,东芝目前是不提供IGBT/IEGT产品的驱动芯片的,客户如果想使用东芝的IGBT/IEGT产品可以使用第三方的驱动芯片,比如青铜剑、PI等厂商提供的驱动芯片。

多种功率产品,助力电子行业创新发展

当然,除了大功率器件,东芝在中小功率器件方面也有布局,比如针对直流无刷电机应用,东芝可提供高集成度的智能模块,目前的新品具备600V耐压的高可靠性,且采用了内置MOS,可实现更低的损耗,以及贴片封装,帮助客户提高生产效率。常规的过流、过温和低压保护功能也是一应俱全。

另据屈兴国介绍,东芝在汽车领域也深耕多年,在电子助力转向、刹车系统、车载空调系统、引擎/变速系统、HEV/EV应用、车载信息系统等方面都有相关产品供客户选择。

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编辑:jq

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从工业到汽车,东芝在功率器件市场的布局

(文/程文智)近几年来,新能源汽车发展迅猛,与之配套的汽车功率器件也发展迅速,不少厂商开始针对汽车应用开发新的产品。比如说SiC就是一个典型,自从特斯拉在Model 3上使用之后,SiC在汽车中的用量开始增加,现在已经有不少厂商都推出了车规级的SiC产品。

东芝作为先进的半导体制造商,在SiC产品方面布局多年,目前已经推出了SiC MOSFET、SiC SBD,及SiC MOSFET模块等多种类型的产品。在PCIM Aisa 2021展上,东芝电子元件(上海)有限公司分立器件战略业务企划统括部,分立器件应用技术部门高级经理屈兴国就向我们介绍了东芝一系列SiC产品。他表示:由于SiC与硅相比耐压性更高,损耗更低,被广泛认为是下一代功率器件的材料,目前其主要应用于列车逆变器中,但随着技术不断发展,今后还有可能会在工业设备的各种光伏发电系统和电源管理系统中扮演重要角色。

推陈出新,东芝力量撬动SiC器件发展

尽管SiC器件备受业界关注,但可靠性和成本因素仍然阻碍了SiC器件的使用和市场增长。据屈兴国先生介绍,目前,市场对全SiC MOSFET的价格接受度是对IGBT或MOSFET模块价格的5倍左右,而现在全SiC MOSFET的价格是后者的10倍以上。对可靠性问题,他谈到,当电流流过位于功率MOSFET源极和漏极之间的PN二极管时,晶体缺陷会扩大,这会增加导通电阻,并降低器件可靠性。

为了应对这个问题,东芝开发了一种新型的器件结构,即肖特基势垒二极管(SBD)内嵌式MOSFET。该结构通过在MOSFET中放置一个与PN二极管并联的肖特基势垒二极管以防止PN结二极管运行;相较于PN结二极管,内嵌肖特基势垒二极管的通态电压更低,电流通过内嵌肖特基势垒二极管,可抑制导通电阻的变化。

从工业到汽车,东芝在功率器件市场的布局

图:东芝新型肖特基势垒二极管内嵌式MOSFET器件结构

新器件结构是对肖特基势垒二极管内嵌式MOSFET器件的修改,通过应用25%的工艺缩小和优化设计来加强肖特基势垒二极管对PN二极管中电流的抑制。与东芝目前的器件结构相比,采用了新器件结构的3300V芯片结构在175℃时的电流密度增加了一倍以上,同时并未造成任何可靠性的损失。新器件结构还可在室温下将3300V芯片的导通电阻降低约20%,并可将1200V芯片的导通电阻降低约40%。

从工业到汽车,东芝在功率器件市场的布局

图:东芝展示的3300V和1200V额定电压的SiC MOSFET产品

据了解,今年5月份开始,东芝采用新型器件结构的3300V碳化硅功率模块样品已经出货。

而为了提高SiC使用的性价比,东芝也研发了SiC混合模块,即将SiC SBD芯片与IGBT芯片集成在一起,这样可以利用SiC SBD芯片的快速反向恢复和低损耗的特性,增强IGBT的性能,同时降低模块的大小。目前东芝可以提供3300V,1500A的产品和1700V,1200A模块。不过,屈兴国表示,此类产品在国内的推广效果并不理想,因为国内厂商对这种折衷方案并不是太认可,国内厂商更关注纯SiC产品,他们希望可以提供最先进的方案,或是成本更低的方案,因此,SiC混合模块只能作为是一个过渡型产品来推广,未来应该会过渡到SiC MOSFET上去。

独特的IEGT器件,彰显东芝实力

除了SiC产品,在本次展会上东芝的一系列IEGT产品也吸引着观展者的目光。东芝IEGT,即Injection Enhanced Gate Transistor的简称,是东芝在上世纪90年代创造的一个名称,可以把它理解为东芝特制的IGBT。上世纪九十年代,东芝率先采用栅极注入增强技术以降低IGBT器件的静态损耗,当时东芝特意为这个名称注册了商标,并将这个名称保护起来。

屈兴国表示,东芝的IEGT大功率器件目前主要有两种类型,一类是应用在风力发电、HVDC输配电的压接式(PPI)产品;一类是主要应用于风力发电和电力机车的模块封装(PMI)产品。当然,这两类产品都可以用于工业驱动。

从工业到汽车,东芝在功率器件市场的布局

图:东芝的PMI大功率器件产品

压接式封装的IEGT(PPI)产品具有四大优势,即内部芯片无引线键合比较容易实现高可靠性;可双面散热从而实现高散热性能;便于多颗器件串联应用;采用陶瓷外壳封装,具有防爆结构。

从工业到汽车,东芝在功率器件市场的布局

图:东芝展示的压接式IEGT产品

电子发烧友网了解到,东芝目前是不提供IGBT/IEGT产品的驱动芯片的,客户如果想使用东芝的IGBT/IEGT产品可以使用第三方的驱动芯片,比如青铜剑、PI等厂商提供的驱动芯片。

多种功率产品,助力电子行业创新发展

当然,除了大功率器件,东芝在中小功率器件方面也有布局,比如针对直流无刷电机应用,东芝可提供高集成度的智能模块,目前的新品具备600V耐压的高可靠性,且采用了内置MOS,可实现更低的损耗,以及贴片封装,帮助客户提高生产效率。常规的过流、过温和低压保护功能也是一应俱全。

从工业到汽车,东芝在功率器件市场的布局

图:东芝的直流无刷电机控制解决方案

从工业到汽车,东芝在功率器件市场的布局

另据屈兴国介绍,东芝在汽车领域也深耕多年,在电子助力转向、刹车系统、车载空调系统、引擎/变速系统、HEV/EV应用、车载信息系统等方面都有相关产品供客户选择。

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