【掲載記事】特集:パワーデバイス
拡大するロームの最新パワーデバイス ラインアップ

掲載記事

Contributing Articles

拡大するロームの最新パワーデバイス ラインアップ

はじめに

ロームでは、これまでの民生機器分野で培った技術を生かし、産業機器分野に向けた商品展開を積極的に進めている。「省エネ・創エネ・蓄エネ」技術を支える半導体パワーデバイスにおいては、シリコン半導体では得られなかった画期的な特性を持つシリコンカーバイド半導体(SiC半導体)を量産している。また、従来のシリコン半導体パワーデバイスにおいても、個別半導体からLSIまでをカバーする総合力を生かした複合型商品を展開する。以下に、その商品の一部を紹介する。

暮らしに浸透し始めたSiCパワーデバイス

SiCパワーデバイスは炭素とケイ素からなる化合物半導体、シリコンカーバイド(炭化ケイ素)を材料として作られるパワー半導体である。その先進性と優れた性能から、長年にわたって「夢のデバイス」として期待を集めてきたSiCパワーデバイスは、今日日常の暮らしの中で使われる「身近な」デバイスになってきている。(図1)

暮らしの中で搭載が進むSiCパワーデバイス
図1. 暮らしの中で搭載が進むSiCパワーデバイス

SiCパワーデバイスの採用事例(一部、開発中の事例を含む):

  • 「家庭にSiC」PC電源、太陽光発電パワーコンディショナ(家庭用)、エアコン、など
  • 「産業にSiC」データセンター、UPS、工場搬送ロボット、高周波誘導加熱装置(IH)・高周波電源、太陽光発電パワーコンディショナ(ソーラー発電所等の非家庭用)など
  • 「町にSiC」電気自動車(車載充電器)、急速充電ステーション、発電機、医療診断装置、など

ロームは、SiCパワーデバイスの研究・開発から量産に至るまで、業界をリードしてきた。SiCパワーデバイスの製品ラインナップとその特徴について、以下簡単に紹介する。

(1) SiCショットキーダイオード

2001年に世界で最初のSiCショットキーダイオードが量産されてから10年以上が経過したが、ロームでは2010年に国内メーカーとしては初めてSiCショットキーダイオードの量産を開始。現在は、旧製品である第1世代品に比べ、非常に短い逆回復時間を維持したまま順方向電圧を0.15V低減した、第2世代品を商品展開する。(図2)

SiCショットキーダイオードの順方向電圧比較(650V 10Aクラス)
図2. SiCショットキーダイオードの順方向電圧比較(650V 10Aクラス)

耐圧は650Vと1200Vの2つで、TO-220絶縁/非絶縁, TO-247, D2PAKといった様々なパッケージをラインナップしている。また、シリコン製のファストリカバリダイオード(FRD)と比べて逆回復損失を大幅に低減できることから、家電から産業機器まで幅広い分野の高周波回路で採用が広がっている。(図3)車載信頼性規格AEC-Q101に準拠した製品も揃えており、既に日本国内・国外を問わず多数の電気自動車・プラグインハイブリッド車の車載充電回路に搭載されている。

SiCショットキーダイオードとシリコン製FRDの特性比較(650V 10Aクラス)
図3. SiCショットキーダイオードとシリコン製FRDの特性比較(650V 10Aクラス)

(2) SiC MOSFET

ショットキーダイオードに比べ、SiC MOSFETは、従来、ボディダイオード通電による特性劣化(MOSFETのオン抵抗・ボディダイオードの順方向電圧が上昇する)が起こることが知られており、この問題による信頼性が量産化の課題となっていた。
ロームでは、結晶欠陥に関するプロセスやデバイス構造の改善により、2010年12月世界に先駆けてSiC MOSFETの量産を開始。
現在は、650Vおよび1200V耐圧の第2世代品を展開している。
高耐圧のスイッチング素子として広く使用されているシリコン製のIGBTと比べてスイッチング損失が5分の1程度と圧倒的に小さいため、駆動周波数の高周波化による機器の小型化(フィルタの小型化・冷却機構の小型化による)や電力変換効率の向上に効果を上げている。(図4)

 Si-IGBTとSiC MOSFETのスイッチング損失比較
図4. Si-IGBTとSiC MOSFETのスイッチング損失比較

(3) SiCパワーモジュール

ロームでは、内蔵するパワー素子を全てSiCパワーデバイスで構成した "フルSiC" パワーモジュールをいち早く自社開発し、2012年より量産化した。今現在、1200V 120 ~ 180A定格のパワーモジュール2品番を自社内の製造ラインによって量産している。また、1200V 300A定格のパワーモジュールも2014年内に量産を開始する予定で、今後は、定格電流および定格電圧の拡大を計画している(図5)。これらSiCパワーモジュールも、ディスクリート型のSiC MOSFETと併せて、非家庭用の太陽光発電パワーコンディショナや高周波電源など、主に産業用途を中心に既に世界的に採用が始まっている。

 SiCパワーモジュールの外観
図5. SiCパワーモジュールの外観

(4) 今後の商品展開

SiCショットキーダイオードとSiC MOSFETともに、1700V耐圧品のラインアップを予定している。さらに、チップ面積あたりのオン抵抗を大幅に低減することができるトレンチゲート構造を採用した、第3世代のSiC MOSFETを開発中である。オン抵抗の低減やチップコストの低減によりSiCの普及を加速させる技術として期待されている。

ロームの総合力が生み出すシリコン製IGBTパワーデバイス

スイッチング損失が小さいメリットを生かし、高耐圧・高周波の双方が求められる分野で特に高い効果を発揮するSiCパワーデバイス。それに対し、価格面で優位にあるシリコン製パワーデバイスが活躍する領域は依然として大きい。こうした中、ロームは従来のシリコン半導体パワーデバイスの分野でも、MOSFETとIGBTの特徴を併せ持つ「Hybrid MOS」を開発するなど、特徴のある商品開発を行っている。
シリコン製IGBTにおいては、単品の個別半導体に加えて総合半導体部品メーカーとしての総合力を生かした複合型製品を揃えており、その製品ラインナップを拡大しつつある。以下、ロームのシリコン製IGBTパワーデバイス商品のラインナップを紹介する。

(1) 単品IGBT

ロームでは、650V耐圧のIGBTデバイスを2種類商品化している。1つはRGTHシリーズである。このシリーズは、低飽和電圧特性(定格電流において1.6V typ.)に加え、コンバータ回路向けに求められる高速スイッチング性能を重視した設計を行っている。スイッチング電源の力率改善回路(PFC)、太陽光発電パワーコンディショナの昇圧回路等に好適である。もう一方のRGTシリーズは、低飽和電圧特性(定格電流において1.65V typ.)に加えて、インバータ回路向けに特に求められる短絡耐量保証(5µs)を備えており、エアコン・洗濯機などの白物家電・太陽光発電パワーコンディショナ・溶接機などのインバータ回路等に好適である。それぞれ、超高速・ソフトリカバリFRDを同一パッケージ内に同梱した商品併せてラインナップする。今後は、1200V耐圧のシリーズや、車載用途向けにAEC-Q101に準拠したシリーズなど、商品ラインアップを順次拡大していく予定である。

(2) IGBT IPM

低飽和電圧特性に優れる単品IGBTと超高速・ソフトリカバリFRDを、ゲートドライブIC・ブートストラップダイオードとともにインバータ化した、IPM(インテリジェントパワーモジュール)もラインアップに加えている。(図6)

ロームのIGBT-IPM
図6. ロームのIGBT-IPM

以下がその特徴である。

  • 600V SOIプロセスを用いたゲートドライブICの採用により、ラッチアップによるトラブルが発生しない。
  • ブートストラップ回路の電流制限抵抗に独自の電流制限方式を採用し、起動時の突入電流を抑えつつ上アーム側フローティング電源の安定化を実現。
  • UVLO、短絡保護、温度検知機能など保護機能を実装。
  • 業界トップクラスの低熱抵抗セラミック絶縁パッケージを採用。

低キャリア周波数(4~6kHz程度)での駆動を想定し、飽和電圧VCEsatの低減を図った "低速スイッチング駆動シリーズ" と、高キャリア周波数(15-20kHz程度)での駆動用途にあわせてスイッチング損失の低減を図った "高速スイッチング駆動シリーズ" の2シリーズを、白物家電や小容量の産業モータ駆動用途に向けて2014年中に量産開始する予定である(図7)。

キャリア周波数に応じたシリーズ展開
図7. キャリア周波数に応じたシリーズ展開

(3) イグナイタ用 IGBT

車載用途の商品としては、ガソリンエンジン イグナイタ用IGBTを製品化しており、2014年末より量産対応を開始する予定である(図8)。

イグナイタ用IGBTの開発ロードマップ
図8. イグナイタ用 IGBTの開発ロードマップ

同用途で求められるアバランシェ耐量保証(250mJ @25ºC)のほか、低飽和電圧特性を実現。パッケージはD-PAKを採用しており、車載向け信頼性規格AEC-Q101にも準拠している。
今後は、コレクタ-エミッタ間保護電圧430±30V品をリリースした後、コレクタ-エミッタ間保護電圧・アバランシェ耐量の組み合わせによる機種展開や、ドライバICを含めて1パッケージ化した "イグナイタIGBT IPM" の製品化も視野に入れた製品開発を行っていく。

最後に

注目されているSiC半導体に加え、シリコン半導体の分野でもラインアップの充実を続けるロームのパワーデバイス。今後も個別半導体からLSIまでをカバーする総合力を生かし、多様な市場ニーズに合わせた商品展開を進めていく。

この件についてのお問い合わせ