R课堂 | 有助于车载和工业设备降低功耗！内置SiC二极管的IGBT

本文的关键要点

・要想实现碳中和，就需要进一步提高DC-DC转换器等功率转换系统的效率。

・集IGBT和SiC肖特基势垒二极管于一身的“Hybrid IGBT”，可同时实现高效率和低成本，有助于实现适用于更多应用的功率转换系统。

随着无碳社会进程的加速，

对进一步降低功耗的需求不断增长

在现代社会，工厂的工业产品生产活动和厂房的运转等都会消耗大量的能源。然而，近年来，全球众多国家和地区加快了实现碳中和的进程，这就要求各行各业的企业付出超出以往任的努力来应对去碳化。

2021年末召开的“联合国气候变化框架公约第26次缔约方大会（COP26）”达成了“努力将全球平均气温升幅限制在工业革命前水平的1.5℃以内”的决议文件（图1）。决议文件将6年前《巴黎协定》中1.5℃的“努力目标”升级为“必达目标”，“我们国家很难从化石燃料转向可再生能源，希望延缓实现目标”之类的借口不再适用。未来，各国政府应该会陆续出台减少温室气体（GHG）排放的具体政策和法规。特别是目前排放大量二氧化碳的汽车和工厂的生产活动，很可能成为需要减排的主要目标。

图1 COP26将1.5℃目标从“努力目标”升级为“必达目标”

将这种情况反映在具体行动中的表现是全球已经有很多国家和地区开始执行碳税等“碳定价机制”，即将企业的二氧化碳排放量转嫁到企业成本中的机制。根据世界银行的数据，截至2021年4月10日，全球已经有46个国家和35个地区推行这种机制。特别是对于从事跨国业务的企业而言，已经进入了去碳化努力与公司产品的成本竞争力直接相关的时代。

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用电力驱动的设备和设施剧增，

当务之急是提升效率

在去碳化的努力中，经常被提及的是以所谓的“EV转型”为中心的汽车电动化、以及使用由可再生能源产生的电能。但是，仅靠这些还不足以实现1.5℃的目标，而且去碳化努力也不止这些。

根据《2021年全球可再生能源现状报告》的记载，全球能源消耗总量的32%与汽车等发动机驱动的运输设备有关，17%为家庭和工厂等使用的电能（图2）。实际上，从百分比来看，可以说目前因电力消耗而产生的二氧化碳排放量占比较少。剩下的51%则是让工厂运转的涡轮机、热处理等所用的锅炉等设备，通过燃烧化石燃料来使用热能的。这部分也是去碳化难度较大的部分。

图2 全球能源消耗总量的17%为电能 资料来源：REN21，《Renewables 2021 Global Status Report (GSR)》

未来，全球的去碳化大致会按照如下战略推进：首先，尽可能将能源消耗量大、燃烧化石燃料的相关运输设备和利用热能的领域转为利用电能，并进行精细控制。该策略是将能源利用形态转变为易于控制的电能。一般而言，比起一旦启动就很难停止的发动机、涡轮机和锅炉，用电能驱动的电机和加热器更容易根据需求停止和运转。除此之外，还会通过利用可再生能源发电、仅在必要时在最高效的条件下运行设备，来推动节电。也就是说，未来由电力驱动的设备、设施和工厂的数量将会急剧增加，这意味着希望以优异的功率转换效率运行的电气设备和机电设备的数量将急剧增加。

在电动车辆（xEV）、工业用电机驱动装置、太阳能发电厂的功率调节器、乃至工业设备和各种工厂的控制设备等应用中，会配备有车载充电器、DC-DC转换器等各种功率转换系统。然而，在功率转换过程中总是存在着功率损耗。比如DC-DC转换器，其转换效率通常在80～95％左右。即使单次功率转换时的效率较低，发电厂产生的电力通过传输和分配，到使用之前会经历几次功率转换，最终有约1/3变为热量或电磁波而损耗掉。从这个损耗量要通过增设发电厂数量来补偿的角度看，可以知道这个浪费有多么大。更大程度地减少损耗是推动去碳化的关键要点。

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而且，重要的是，提高电能利用率的解决方案，不仅需要更加高效的相关产品，还需要能够适用于更多应用。这是因为，即使是可以大幅提高效率的技术，如果引进该技术所需的成本过高，其应用范围就会受到限制，从而无法全面降低功耗。

利用SiC器件降低损耗，

利用混合器件提供优质解决方案

降低功率转换系统损耗的方法包括改进转换电路的配置，以及采用工作时损耗低的功率器件。

近年来，IGBT等传统的硅（Si）基功率器件已经开始逐渐被碳化硅（SiC）基的功率器件取代。与Si器件相比，SiC器件的导通电阻更低，在高温、高频、高电压环境下的性能更出色。由于具备这些特点，SiC器件有望成为适用于多在严苛环境下使用的汽车和工业用功率转换系统的下一代低损耗器件。

SiC器件在太阳能和风力发电设备中的DC-AC转换器、电动汽车和混合动力汽车的车载充电器和功率转换器、工业设备等的功率逆变器和电源、以及蓄电设备等中的应用正在不断增加。在这种背景下，ROHM量产并供应650V/1200V耐压的SiC肖特基势垒二极管（SBD）、650V/750V/1200V/1700V耐压的SiC MOSFET。

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目前很多功率转换系统使用的是硅基IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极晶体管）或SJ-MOSFET（Super Junction Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor，超级结金属氧化物半导体场效应晶体管）作为开关器件。其中，IGBT具有生产成本低廉的优点，但当其用于电机和线圈等感性负载时，需要续流二极管才能工作。另外，IGBT通常存在关断损耗问题。SJ-MOSFET具有关断损耗低的优点，但其存在难以支持大功率的问题。而SiC MOSFET和SiC SBD组合使用，可以大幅提高功率转换效率。但是，目前由于用来形成元件的衬底—SiC晶圆极其昂贵，因此现状是其应用范围受到限制。

要想积极推动去碳化，能够适用于更广泛的应用、并同时实现高效率和低成本的功率转换系统解决方案是不可或缺的。针对这种需求，ROHM将适合降低成本的IGBT和能够提高效率的SiC器件的优点结合起来，打造出突破性的解决方案“Hybrid IGBT”。该解决方案使用SiC SBD作为IGBT续流二极管，可以大幅降低导通损耗。通过改善半桥配置中续流侧器件（Low side）的关断特性，改善了开关侧器件（High side）的导通损耗。此外，开关器件元件本身采用了比SiC MOSFET更便宜的IGBT，因此可以降低成本，从而支持更广泛的应用。

ROHMHybrid IGBT的性能和优势

IGBT的续流二极管需要选用适合IGBT特性的产品。只是用碳化硅基二极管取代现有的硅基二极管，效率改善效果并不能达到预期。ROHM的650V耐压Hybrid IGBT“RGWxx65C系列”融合了IGBT和SiC SBD特性上的优点，并实现了一体化封装。由于已经在元器件层面优化了需要进行精密电路设计的部分，因此用户使用该系列产品可以轻松构建性价比高的功率转换系统。

将RGWxx65C系列应用于车载充电器时，与以往的IGBT相比，损耗可降低67%；与SJ-MOSFET相比，损耗可降低24%（图3）。在转换效率方面，可以在更宽的工作频率范围确保97％以上的高效率，并且在100kHz的工作频率下，效率可比IGBT高3％，而且，只需替换当前所用的配有IGBT的电路，即可实现这种效率提升效果。本系列产品还符合汽车电子产品可靠性标准“AEC-Q101”，即使在车载和工业设备等的严苛环境下也可以安心使用。

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可以说ROHM的Hybrid IGBT是有助于更多汽车和工厂的去碳化、应用效果非常出色的器件。

图3

与本文相关的ROHM产品介绍

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☆：开发中 封装采用JEDEC标准。( )内表示ROHM封装。

点击查看产品详情：RGW60TS65CHR、

RGW80TS65CHR、RGW00TS65CHR

※除了本系列Hybrid IGBT外，产品阵容中还包括使用Si-FRD作为续流二极管的产品和无续流二极管的产品。了解更多信息，请访问：场截止沟槽型IGBT

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・助力工厂更加智能化、内置1700V SiC-MOSFET的AC-DC转换器IC

・支持电子设备进一步降低功耗的第5代平面型肖特基势垒二极管

・为CASE时代的车载系统提供稳定的电源 利用ROHM自有技术提高了负载响应性能的DC-DC转换器

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