【導(dǎo)讀】近年來,隨著電動汽車的加速以及物聯(lián)網(wǎng)在工業(yè)設(shè)備、消費電子設(shè)備領(lǐng)域的普及,應(yīng)用產(chǎn)品中搭載的半導(dǎo)體數(shù)量也與日俱增。其中,中等耐壓的二極管因其能有效整流和保護電路,而被廣泛應(yīng)用在從手機到電動汽車動力總成系統(tǒng)等各種電路和領(lǐng)域中,半導(dǎo)體廠商羅姆在這些領(lǐng)域中已經(jīng)擁有驕人業(yè)績(圖1)。
1. 前言
近年來,隨著電動汽車的加速以及物聯(lián)網(wǎng)在工業(yè)設(shè)備、消費電子設(shè)備領(lǐng)域的普及,應(yīng)用產(chǎn)品中搭載的半導(dǎo)體數(shù)量也與日俱增。其中,中等耐壓的二極管因其能有效整流和保護電路,而被廣泛應(yīng)用在從手機到電動汽車動力總成系統(tǒng)等各種電路和領(lǐng)域中,半導(dǎo)體廠商羅姆在這些領(lǐng)域中已經(jīng)擁有驕人業(yè)績(圖1)。
圖1. 羅姆在整流二極管和功率二極管領(lǐng)域的市場份額
VF(正向電壓)和IR(反向電流)是二極管的重要性能指標,它們分別會影響到正向施加時的功率損耗和反向施加時的功率損耗。“理想的二極管”是VF和IR為0的二極管,也就是進行整流和開關(guān)工作時完全沒有功率損耗的二極管。另外,VF和IR之間通常存在權(quán)衡關(guān)系,因此很難同時改善。而且,在實際的二極管中,當在開關(guān)工作期間關(guān)斷二極管時,會產(chǎn)生一些功率損耗(因為電流在trr時段內(nèi)會反向流動)。
肖特基勢壘二極管(以下簡稱“SBD”)的VF和trr低于其他類型的二極管,因此在整流電路和開關(guān)電路中使用這種二極管可以實現(xiàn)低損耗,然而由于其IR較大,存在發(fā)熱量大于散熱量,最終發(fā)生熱失控而造成損壞的風險。(圖2)
圖2. 在開關(guān)期間SBD和整流二極管的VF、IR比較
針對這種情況,羅姆開發(fā)出豐富的SBD系列產(chǎn)品群,客戶可根據(jù)各種應(yīng)用的需求(強調(diào)VF還是IR)選用產(chǎn)品。另外,還推出了更接近“理想二極管”的新系列產(chǎn)品,新產(chǎn)品不僅同時改善了本來存在權(quán)衡關(guān)系的VF和IR特性,還實現(xiàn)了SBD業(yè)內(nèi)超高等級的trr特性。本文將概括介紹羅姆在SBD領(lǐng)域的行動以及羅姆各系列SBD產(chǎn)品的特點。
?。ㄓ嘘P(guān)SBD的詳細技術(shù)文檔,請參閱以下文章。)
車載用肖特基二極管小型高散熱封裝[PMDE]的優(yōu)越性
車載小型高效肖特基勢壘二極管“RBLQ系列”的優(yōu)勢
2. SBD需要具備的性能及其發(fā)展趨勢
圖3為SBD產(chǎn)品相關(guān)的市場情況示例,展示了一輛汽車中搭載的ECU數(shù)量。隨著ADAS(高級駕駛輔助系統(tǒng))和自動駕駛技術(shù)的發(fā)展,一輛汽車中所搭載的ECU數(shù)量與日俱增,其中所用的二極管數(shù)量也在持續(xù)增加,預(yù)計未來還會繼續(xù)增加。由于汽車無法提供超出其電池和發(fā)電機能力的電力,因此制造商需要低損耗(低VF)的二極管,并且越來越多地采用VF和trr特性優(yōu)異的SBD。而另一方面,燃油車的引擎外圍電路、以及xEV的電池和電機外圍電路是在高溫環(huán)境中工作的,因此IR高的SBD的熱失控風險成為直接關(guān)系到可靠性的重大課題。因此,在選擇SBD時,關(guān)鍵在于如何在VF和IR之間取得平衡。
圖3. 一輛汽車所搭載的ECU數(shù)量演變(羅姆調(diào)查數(shù)據(jù))
在消費電子設(shè)備中,隨著應(yīng)用產(chǎn)品的功能越來越多,電路板密度也變得越來越高,甚至密度超過車載設(shè)備,因此需要更小型和超低損耗(超低VF)的SBD。另外,在工業(yè)設(shè)備應(yīng)用中,其對高可靠性的要求與車載應(yīng)用相同,而且由于應(yīng)用產(chǎn)品的機型壽命較長,因此長期穩(wěn)定供應(yīng)也很重要。綜上所述,身為通用器件的SBD,在不同的領(lǐng)域和應(yīng)用中,其發(fā)展趨勢大不相同,制造商在其產(chǎn)品開發(fā)過程中,要求一些存在權(quán)衡關(guān)系(例如更低損耗和更高可靠性、更小型和更大電流)的特性同等出色。為了滿足如此廣泛的需求,羅姆不斷推動相應(yīng)產(chǎn)品的開發(fā),并建立了以垂直統(tǒng)合型生產(chǎn)體系為中心的長期穩(wěn)定供應(yīng)體系。在下一節(jié)中,將具體介紹羅姆的SBD產(chǎn)品陣容。
3. 羅姆 SBD系列產(chǎn)品陣容
羅姆最新的SBD產(chǎn)品有5個系列,客戶可以根據(jù)對VF和IR的不同重視程度,從豐富的產(chǎn)品陣容中選擇合適的產(chǎn)品(圖4)。另外,每個系列都有豐富的封裝陣容,客戶還可以根據(jù)應(yīng)用產(chǎn)品的性能要求選擇小型封裝(圖5)。下頁將對每種產(chǎn)品的特點分別展開介紹。
圖4. 系列產(chǎn)品陣容
圖5. 封裝陣容
3-1.RBS系列 超低VF(耐壓:20V)
該系列的VF最低,在主要用于正向電路中的損耗可大幅降低,非常適用于智能手機等使用電池低電壓驅(qū)動的移動設(shè)備中的整流應(yīng)用。
目標應(yīng)用:筆記本電腦、移動設(shè)備等
3-2.RBR系列 低VF(耐壓:30V/40V/60V)
該系列為通用型產(chǎn)品,與相同尺寸的羅姆以往產(chǎn)品相比,VF特性降低約25%。在車載應(yīng)用中,正向損耗非常少,因此作為要求更高效率的汽車信息娛樂系統(tǒng)和車載LED燈等的保護二極管,非常受歡迎。2021年8月,封裝陣容中又新增了車載用超小型PMDE封裝,可滿足市場對更小封裝的需求。
目標應(yīng)用:車載信息娛樂系統(tǒng)、車載LED燈、車載ECU、筆記本電腦等
3-3.RBQ系列 低IR(耐壓:45V/65V/100V)
該系列利用羅姆自有的勢壘形成技術(shù),在VF特性與IR特性之間取得了良好的平衡。與羅姆以往產(chǎn)品相比,其反向功率損耗降低了60%,因此可以降低熱失控風險,非常適用于需要在高溫環(huán)境下運行的引擎ECU整流應(yīng)用、高輸出功率LED前照燈的保護應(yīng)用、以及大電流工業(yè)設(shè)備電源等應(yīng)用。
目標應(yīng)用:xEV、引擎ECU、高輸出功率LED前照燈、工業(yè)設(shè)備電源等
3-4.RBxx8系列 超低IR(耐壓:30V/40V/60V/100V/150V/200V)
該系列產(chǎn)品具有超低IR,可以降低熱失控風險,非常適用于需要在高溫環(huán)境下運行的xEV電池和電機相關(guān)ECU、以及燃油車引擎ECU和變速箱ECU等的整流應(yīng)用。該系列支持耐壓高達200V,可以替換通常在這個耐壓范圍使用的整流二極管和快速恢復(fù)二極管,并可以大幅降低VF(與FRD相比,降低約11%),還有助于降低上述車載應(yīng)用中的功耗。
目標應(yīng)用:xEV電池管理系統(tǒng)、引擎ECU、工業(yè)設(shè)備逆變器等
4. 新產(chǎn)品:RBLQ/RLQ系列
RBLQ系列和RLQ系列新產(chǎn)品通過采用新技術(shù)和羅姆自有的溝槽MOS結(jié)構(gòu),與以往的平面結(jié)構(gòu)產(chǎn)品相比,實現(xiàn)了更低的VF和IR。在采用普通溝槽MOS結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品中,由于結(jié)構(gòu)上的原因,trr表現(xiàn)容易變差,而新產(chǎn)品兩個系列的trr特性都得到了提升,并達到了與以往的平面結(jié)構(gòu)產(chǎn)品同等級別(業(yè)界超高等級)。由于不容易發(fā)生熱失控,并且可以降低開關(guān)損耗,因此新產(chǎn)品非常適用于用容易發(fā)熱的車載LED前照燈驅(qū)動電路,以及xEV用的DC-DC轉(zhuǎn)換器等需要進行高速開關(guān)的應(yīng)用。
目標應(yīng)用:車載LED前照燈、xEV DC-DC轉(zhuǎn)換器、工業(yè)設(shè)備電源、照明等
4-1.與以往產(chǎn)品相比,VF和IR均得到改善
RBLQ系列和RLQ系列采用羅姆自有的溝槽MOS結(jié)構(gòu),與耐壓和耐受電流同等的以往產(chǎn)品相比,VF降低了約15%,可以降低在整流應(yīng)用等正向使用時的功率損耗。此外,與以往的平面結(jié)構(gòu)產(chǎn)品相比,IR也降低了約60%,這可以大大降低SBD最讓人擔心的熱失控風險,從而使產(chǎn)品也可以用在溫度條件等非常嚴苛的車載應(yīng)用中(圖6)。
圖6. SBD溝槽MOS結(jié)構(gòu)
4-2.實現(xiàn)業(yè)內(nèi)超短的trr
在普通溝槽MOS結(jié)構(gòu)中,寄生電容(元器件中的電阻分量)較大,因此trr要比平面結(jié)構(gòu)差。而RBLQ系列和RLQ系列新產(chǎn)品不僅降低了VF和IR,而且還利用自有技術(shù),通過優(yōu)化材料,實現(xiàn)了與平面結(jié)構(gòu)同等的trr特性。例如,從圖7中可以看到使用LED前照燈評估板進行裝機評估時的開關(guān)損耗比較情況。在開關(guān)過程中,因VF和trr引起的損耗比例比較高,但RBLQ系列和RLQ系列的trr損耗降低了約37%,VF也同時降低,因此開關(guān)總損耗降低達26%,這將有助于降低車載LED前照燈驅(qū)動電路、以及xEV用的DC-DC轉(zhuǎn)換器等需要進行高速開關(guān)的應(yīng)用產(chǎn)品功耗。
圖7. 實際裝機進行開關(guān)時的損耗比較
5. 未來計劃
隨著消費電子領(lǐng)域家電的多功能化,以及在車載設(shè)備中用來實現(xiàn)自動駕駛的各種傳感器模塊等各領(lǐng)域應(yīng)用的發(fā)展,預(yù)計未來應(yīng)用產(chǎn)品中搭載的二極管數(shù)量將會繼續(xù)增加。另外,在工業(yè)設(shè)備和xEV等車載設(shè)備領(lǐng)域,由于電機性能日益提高,預(yù)計電路中的電流也會越來越大,因此需要繼續(xù)增強大電流產(chǎn)品陣容。羅姆為了滿足更小型、更大電流、更低損耗、更高性能等諸多難以同時實現(xiàn)的需求,一直在推進超越需求的開發(fā)。例如,作為小型且支持大電流的封裝,羅姆計劃增強TO-277封裝(6.5mm×4.6mm尺寸)的產(chǎn)品陣容,并且已經(jīng)開始了部分產(chǎn)品的量產(chǎn)。還有,預(yù)計200V耐壓產(chǎn)品在xEV車載逆變器和車載充電器等應(yīng)用中的需求將會迅速增加,因此羅姆已經(jīng)在開發(fā)200V耐壓的新產(chǎn)品,并計劃在2022年內(nèi)投入市場。未來,羅姆將繼續(xù)擴充產(chǎn)品陣容,滿足市場多樣化的需求,并為日新月異的下一代車載應(yīng)用實現(xiàn)更高性能、更多功能和更低功耗貢獻力量。
免責聲明:本文為轉(zhuǎn)載文章,轉(zhuǎn)載此文目的在于傳遞更多信息,版權(quán)歸原作者所有。本文所用視頻、圖片、文字如涉及作品版權(quán)問題,請聯(lián)系小編進行處理。
推薦閱讀:
儲能系統(tǒng)提升智能電網(wǎng)的應(yīng)用效率