2014年06月04日08:56
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鬆下首次參加了功率元件及功率電子設備領域全球最大規模的展會“PCIM Europe 2014”，並且出席了與展會並設的會議。該公司在PCIM上重點展示的，是由使用GaN和SiC的功率元件構成的電源電路及功率模塊，強調的優點是，這些產品的性能比採用硅功率元件的現有產品更加出色。
鬆下此次主要發布了三項成果，其中兩項是關於GaN的、一項是關於SiC的（圖1、2）。該公司在展位上展示了這些成果，還在會議上介紹了每項成果的特性和實現的技術等。GaN方面，開發出了採用GaN功率晶體管的600V耐壓PFC電路，以及將12V電壓降至1.2V的POL（Point Of Load）轉換器。
圖1：採用GaN功率晶體管的PFC
圖2：SiC功率模塊。左為1200V產品，右為1700V產品
PFC電路的特點是尺寸小、可高速開關。該電路屬於“無橋”型，去掉了PFC中常見的整流電路，因而能夠實現電路的小型化。硅功率元件中也有無橋PFC，例如利用硅超結（SJ）MOSFET的雙升壓型（Dual Boost）無橋PFC。不過據鬆下介紹，雙升壓型無橋PFC存在的課題是，要使用昂貴的SiC肖特基勢壘二極管（SBD）、還要使用兩個大型電抗器。而採用鬆下GaN功率元件的圖騰柱型（Totem Pole）無橋PFC無需SiC SBD，隻需一個電感器即可。
即便是同樣採用GaN功率元件的圖騰柱型無橋PFC中，鬆下的產品也具備可高速開關、能輸出更大電流的特點。具體而言，導通時的開關速度達到170V/ns，比可高速開關、採用表面貼裝型硅超結MOSFET時快1.7倍左右。
可高速開關是因為GaN功率元件採用倒裝芯片封裝，從而削減了寄生電感。寄生電感降到了2nH，隻有功率元件採用普通封裝“TO-220”時的1/10左右。
之所以能夠實現倒裝芯片封裝，是因為GaN功率元件單獨就能實現常閉工作。目前，耐壓600V級的GaN功率晶體管大多都是常開工作，其他企業大都是通過級聯低耐壓硅MOSFET來實現常閉工作。但級聯電路必須使用外置硅MOSFET，因此，不僅難以降低寄生電感，還很難實現單芯片化。不過，鬆下表示，在倒裝封裝產品之前，會先推出使用表面貼裝產品的PFC電路。
鬆下的GaN功率晶體管通過在柵極設置p型層，以元件單體實現了常閉工作，但閾值電壓隻有1V左右。級聯產品和硅功率元件的閾值電壓約為3V。閾值電壓較低時，誤導通的可能性會比較高。鬆下介紹了預防誤導通的對策。例如，減少GaN功率晶體管柵極和漏極間的容量，或者在驅動電路採取措施防止誤導通。
鬆下在展會會場主要展示了2種耐壓600V的GaN功率晶體管產品。一種是採用TO-220封裝的產品。這種產品以前隻有輸出電流為15A、導通電阻為71mΩ、柵極容量（Qg）為8nC的品種，此次新增了輸出電流為30A和10A的兩款產品。30A產品的導通電阻為34mΩ，Qg為16nC。10A產品的導通電阻為147mΩ。
另一種是表面貼裝型產品，採用SMD封裝。有導通電阻為140mΩ的10A產品和導通電阻為56mΩ的15A產品兩款。
1.5cm見方的POL轉換器
POL轉換器設想用來將12V電壓降至1.2V，以驅動MPU等。轉換效率很高，開關頻率為2MHz時為90％，開關頻率為5MHz時為81％。現有MPU用POL電源如果以太高的頻率運行，效率會降低，因此開關頻率隻有幾百kHz。
開關頻率越高，越能削減電容器和電感器等周邊部件的尺寸。此次共採用了3個GaN功率晶體管，高邊側1個，低邊側2個（並連）。再加上驅動電路和輸入輸出用電容器等，總尺寸縮小到了1.5cm見方。GaN功率晶體管採用耐壓30V的品種，導通電阻為1.8mΩ，通過縮短柵極長度降低了電荷量。作為開關指標的導通電阻（Ron）和柵極電荷量（Qg）的乘積縮小到了19.1mΩ。
額定電壓為1200V、額定電流為100A的SiC功率模塊
SiC功率模塊是面向工業設備用途的產品，額定電壓為1200V、額定電流為100A。單相的高邊用途和低邊用途分別設置了SiC功率元件，屬於“二合一”產品。採用鬆下的二極管內置型SiC MOSFET。內置二極管可削減功率元件的數量。
在內置二極管的產品中，鬆下產品的特點是，二極管和MOSFET共用溝道部。這樣容易減小二極管的導通電壓。
模塊中使用了多個SiC MOSFET芯片。這些芯片的電感成分和電阻成分的偏差較小也是一大特點。由此，無需使用調整電阻成分的“柵極電阻”。
SiC功率模塊的工作溫度方面，SiC MOSFET的結溫最高為150℃。今后計劃陸續提高到175℃、200℃。據介紹，175℃已經取得眉目。
在展會會場，除了耐壓為1200V、電流為100A的SiC功率模塊外，鬆下還展示了耐壓為1700V、電流為200A的二合一產品。（作者：根津 禎，日經技術在線！供稿）
