2014年06月04日08:56
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松下首次参加了功率元件及功率电子设备领域全球最大规模的展会“PCIM Europe 2014”，并且出席了与展会并设的会议。该公司在PCIM上重点展示的，是由使用GaN和SiC的功率元件构成的电源电路及功率模块，强调的优点是，这些产品的性能比采用硅功率元件的现有产品更加出色。
松下此次主要发布了三项成果，其中两项是关于GaN的、一项是关于SiC的（图1、2）。该公司在展位上展示了这些成果，还在会议上介绍了每项成果的特性和实现的技术等。GaN方面，开发出了采用GaN功率晶体管的600V耐压PFC电路，以及将12V电压降至1.2V的POL（Point Of Load）转换器。
图1：采用GaN功率晶体管的PFC
图2：SiC功率模块。左为1200V产品，右为1700V产品
PFC电路的特点是尺寸小、可高速开关。该电路属于“无桥”型，去掉了PFC中常见的整流电路，因而能够实现电路的小型化。硅功率元件中也有无桥PFC，例如利用硅超结（SJ）MOSFET的双升压型（Dual Boost）无桥PFC。不过据松下介绍，双升压型无桥PFC存在的课题是，要使用昂贵的SiC肖特基势垒二极管（SBD）、还要使用两个大型电抗器。而采用松下GaN功率元件的图腾柱型（Totem Pole）无桥PFC无需SiC SBD，只需一个电感器即可。
即便是同样采用GaN功率元件的图腾柱型无桥PFC中，松下的产品也具备可高速开关、能输出更大电流的特点。具体而言，导通时的开关速度达到170V/ns，比可高速开关、采用表面贴装型硅超结MOSFET时快1.7倍左右。
可高速开关是因为GaN功率元件采用倒装芯片封装，从而削减了寄生电感。寄生电感降到了2nH，只有功率元件采用普通封装“TO-220”时的1/10左右。
之所以能够实现倒装芯片封装，是因为GaN功率元件单独就能实现常闭工作。目前，耐压600V级的GaN功率晶体管大多都是常开工作，其他企业大都是通过级联低耐压硅MOSFET来实现常闭工作。但级联电路必须使用外置硅MOSFET，因此，不仅难以降低寄生电感，还很难实现单芯片化。不过，松下表示，在倒装封装产品之前，会先推出使用表面贴装产品的PFC电路。
松下的GaN功率晶体管通过在栅极设置p型层，以元件单体实现了常闭工作，但阈值电压只有1V左右。级联产品和硅功率元件的阈值电压约为3V。阈值电压较低时，误导通的可能性会比较高。松下介绍了预防误导通的对策。例如，减少GaN功率晶体管栅极和漏极间的容量，或者在驱动电路采取措施防止误导通。
松下在展会会场主要展示了2种耐压600V的GaN功率晶体管产品。一种是采用TO-220封装的产品。这种产品以前只有输出电流为15A、导通电阻为71mΩ、栅极容量（Qg）为8nC的品种，此次新增了输出电流为30A和10A的两款产品。30A产品的导通电阻为34mΩ，Qg为16nC。10A产品的导通电阻为147mΩ。
另一种是表面贴装型产品，采用SMD封装。有导通电阻为140mΩ的10A产品和导通电阻为56mΩ的15A产品两款。
1.5cm见方的POL转换器
POL转换器设想用来将12V电压降至1.2V，以驱动MPU等。转换效率很高，开关频率为2MHz时为90％，开关频率为5MHz时为81％。现有MPU用POL电源如果以太高的频率运行，效率会降低，因此开关频率只有几百kHz。
开关频率越高，越能削减电容器和电感器等周边部件的尺寸。此次共采用了3个GaN功率晶体管，高边侧1个，低边侧2个（并连）。再加上驱动电路和输入输出用电容器等，总尺寸缩小到了1.5cm见方。GaN功率晶体管采用耐压30V的品种，导通电阻为1.8mΩ，通过缩短栅极长度降低了电荷量。作为开关指标的导通电阻（Ron）和栅极电荷量（Qg）的乘积缩小到了19.1mΩ。
额定电压为1200V、额定电流为100A的SiC功率模块
SiC功率模块是面向工业设备用途的产品，额定电压为1200V、额定电流为100A。单相的高边用途和低边用途分别设置了SiC功率元件，属于“二合一”产品。采用松下的二极管内置型SiC MOSFET。内置二极管可削减功率元件的数量。
在内置二极管的产品中，松下产品的特点是，二极管和MOSFET共用沟道部。这样容易减小二极管的导通电压。
模块中使用了多个SiC MOSFET芯片。这些芯片的电感成分和电阻成分的偏差较小也是一大特点。由此，无需使用调整电阻成分的“栅极电阻”。
SiC功率模块的工作温度方面，SiC MOSFET的结温最高为150℃。今后计划陆续提高到175℃、200℃。据介绍，175℃已经取得眉目。
在展会会场，除了耐压为1200V、电流为100A的SiC功率模块外，松下还展示了耐压为1700V、电流为200A的二合一产品。（作者：根津 祯，日经技术在线！供稿）
