有助車規和工控設備降低功耗！內建SiC二極體的IGBT

隨著無碳社會進程的加速，對進一步降低功耗的需求不斷增加

在現代社會，工廠的工業產品生產活動和廠房運轉等都會消耗大量的能源。然而，近年來全球眾多國家和地區加快了實現碳中和的速度，要求各企業付出超出以往的努力來對應減碳趨勢。

2021年末召開的“聯合國氣候變化框架公約第26次締約方大會（COP26）”達成了“努力將全球平均氣溫升幅限制在工業革命前水準的1.5℃以內”的決議文件（圖1）。決議檔將6年前《巴黎協定》中1.5℃的“努力目標”升級為“必達目標”，“我們國家很難從化石燃料轉向可再生能源，希望延緩實現目標”之類的藉口不再適用。未來，各國政府應該會陸續出臺減少溫室氣體（GHG）排放的具體政策和法規。特別是目前排放大量二氧化碳的汽車和工廠的生產活動，很可能成為需要減排的主要目標。

圖1 COP26將1.5℃目標從“努力目標”升級為“必達目標”

將這種情況反映在具體行動中的表現是全球已經有很多國家和地區開始執行碳稅等“碳定價機制”，即將企業的二氧化碳排放量轉嫁到企業成本中的機制。根據世界銀行的資料，截至2021年4月10日，全球已經有46個國家和35個地區推行這種機制。特別是對於從事跨國業務的企業而言，已經進入了減碳努力與公司產品的成本競爭力直接相關的時代。

用電力驅動的設備和設施劇增，當務之急是提升效率

在減碳的努力中，經常被提及的是以所謂的“EV轉型”為中心的汽車電動化、以及使用由可再生能源產生的電能。但是，僅靠這些還不足以實現1.5℃的目標，而且減碳努力也不止這些。

根據《2021年全球可再生能源現狀報告》的記載，全球能源消耗總量的32%與汽車等引擎驅動的運輸設備有關，17%為家庭和工廠等使用的電能（圖2）。實際上，從百分比來看，可以說目前因電力消耗而產生的二氧化碳排放量占比較少。剩下的51%則是讓工廠運轉的渦輪機、熱處理等所用的鍋爐等設備，透過燃燒化石燃料來使用熱能的。這部分也是減碳難度較大的部分。

圖2 全球能源消耗總量的17%為電能
資料來源：REN21，《Renewables 2021 Global Status Report (GSR)》

未來，全球的減碳大致會按照如下戰略推進：首先，盡可能將能源消耗量大、燃燒化石燃料的相關運輸設備和利用熱能的領域轉為利用電能，並進行精細控制。該策略是將能源利用形態轉變為易於控制的電能。一般而言，比起一旦啟動就很難停止的引擎、渦輪機和鍋爐，用電能驅動的馬達和加熱器更容易根據需求停止和運轉。除此之外，還會透過利用可再生能源發電、僅在必要時在最高效的條件下運行設備，來推動節電。也就是說，未來由電力驅動的設備、設施和工廠的數量將會急劇增加，這意味著希望以優異的功率轉換效率運行的電氣設備和機電設備的數量將急劇增加。

在電動車（xEV）、工控馬達驅動裝置、太陽能發電廠的功率調節器、乃至工控設備和各種工廠的控制設備等應用中，會配備有車規充電器OBC、DC-DC轉換器等各種功率轉換系統。然而，在功率轉換過程中總是存在著功率損耗。比如DC-DC轉換器，其轉換效率通常在80～95％左右。即使單次功率轉換時的效率較低，發電廠產生的電力透過傳輸和分配，到使用之前會經歷幾次功率轉換，最終有約1/3變為熱量或電磁波而損耗掉。從這個損耗量要透過增設發電廠數量來補償的角度看，可以知道這個浪費有多麼大。更大程度地減少損耗是推動減碳的關鍵要點。

而且，重要的是提高電能利用率的解決方案，不僅需要更加高效的相關產品，還需要能夠適用於更多應用。這是因為即使是可以大幅提高效率的技術，如果引進該技術所需的成本過高，其應用範圍就會受到限制，從而無法全面降低功耗。

利用SiC元件降低損耗，利用混合元件提供優質解決方案

降低功率轉換系統損耗的方法包括改進轉換電路的配置，以及採用工作時損耗低的功率元件。

近年來，IGBT等傳統的矽（Si）基功率元件已經開始逐漸被碳化矽（SiC）基的功率元件取代。與Si元件相比，SiC元件的導通電阻更低，在高溫、高頻、高壓環境下的性能更出色。由於具備這些特點，SiC元件有望成為在嚴苛環境下使用的汽車和工控功率轉換系統的下一代低損耗元件。

SiC元件在太陽能和風力發電設備中的DC-AC轉換器、電動車和混合動力車的車規充電器和功率轉換器、工控設備等的功率逆變器和電源、以及蓄電設備等中的應用正在不斷增加。在這種背景下，ROHM量產並供應650V/1200V耐壓的SiC蕭特基二極體（SBD）、650V/750V/1200V/1700V耐壓的SiC MOSFET。

目前很多功率轉換系統使用的是矽基IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor，絕緣閘雙極電晶體）或 SJ-MOSFET（Super Junction Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor，Super Junction金屬氧化物半導體場效應電晶體）作為開關元件。其中，IGBT具有生產成本低的優點，但當其用於馬達和線圈等電感性負載時，需要續流二極體才能工作。另外，IGBT通常存在關斷損耗問題。SJ-MOSFET具有關斷損耗低的優點，但其存在難以支持大功率的問題。而SiC MOSFET和SiC SBD組合使用，可以大幅提高功率轉換效率。但是目前由於用來形成元件的基板—SiC晶圓極其昂貴，因此現狀是其應用範圍受到限制。

要想積極推動減碳，能夠適用於更廣泛的應用、並同時實現高效率和低成本的功率轉換系統解決方案是不可或缺的。針對這種需求，ROHM將適合降低成本的IGBT和能夠提高效率的SiC元件的優點結合起來，打造出突破性的解決方案“Hybrid IGBT”。該解決方案使用SiC SBD作為IGBT續流二極體，可以大幅降低導通損耗。透過改善半橋配置中續流側元件（Low side）的關斷特性，改善了開關側元件（High side）的導通損耗。此外，開關元件本身採用了比SiC MOSFET更便宜的IGBT，因此可以降低成本，從而可支援持更廣泛的應用。

ROHM Hybrid IGBT的性能和優勢

IGBT的續流二極體需要選用適合IGBT特性的產品。只是用碳化矽基二極體取代現有的矽基二極體，效率改善效果並不能達到預期。ROHM的650V耐壓Hybrid IGBT“RGWxx65C系列”融合了IGBT和SiC SBD特性上的優點，並實現了一體化封裝。由於已經在元件層面優化了需要進行精密電路設計的部分，因此使用者使用該系列產品可以輕鬆構建性價比高的功率轉換系統。

將RGWxx65C系列應用於車規充電器時，與以往的IGBT相比，損耗可降低67%；與SJ-MOSFET相比，損耗可降低24%（圖3）。在轉換效率方面，可以在更寬的工作頻率範圍確保97％以上的高效率，並且在100kHz的工作頻率下，效率可比IGBT高3％，而且，只需替換當前所用的配有IGBT的電路，即可實現這種效率提升效果。本系列產品還符合汽車電子產品可靠性標準“AEC-Q101”，即使在車規和工控設備等的嚴苛環境下也可以安心使用。

可以說ROHM的Hybrid IGBT是有助更多汽車和工廠的減碳、應用效果非常出色的元件。

與本文相關的ROHM產品介紹

產品名稱	耐壓 VCES(V)	集極電流 IC@100℃ (A)	導通損耗 VCE(sat) Typ(V)	續流 二極體	符合 AEC-Q101 標準	封裝
RGW60TS65CHR	650	30	1.5	SiC SBD	YES	TO-247N
RGW80TS65CHR		40
RGW00TS65CHR		50
☆ RGW40NL65CHRB		20				TO-263L (LPDL)
☆ RGW50NL65CHRB		25
☆ RGW60NL65CHRB		30

☆：開發中
封裝採用JEDEC標準。( )內表示ROHM封裝。

※除了本系列Hybrid IGBT外，產品陣容中還包括使用Si-FRD作為續流二極體的產品和無續流二極體的產品。瞭解更多資訊，請訪問：
https://www.rohm.com.tw/products/igbt/field-stop-trench-igbt?page=1&SearchWord=rgw

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