罗姆:深度挖掘SiC功率元器件在EV领域的发展潜力!

作者:商福兰 文章来源:AI《汽车制造业》 点击数:48 发布时间:2019-07-19
目前,在半导体功率元器件中主要以硅(Si)、碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)三种材料为基础材料。其中,Si的应用已经比较成熟,而在SiC领域,却有这样一家企业,专注研究近20载,它便是我们今天要介绍的主角——全球知名的半导体厂商罗姆(ROHM)。
罗姆:深度挖掘SiC功率元器件在EV领域的发展潜力!

自2000年起,罗姆便通过产学合作的形式开始研发SiC半导体功率元器件。2009年,罗姆收购了德国的一家主要做碳化硅柱和碳化硅衬底的晶圆厂SiCrystal公司,自此罗姆在原材料上便实现了自供。随后,罗姆在2010年~2015年短短几年时间里,便量产了SiC肖特基、SiC的MOS、SiC的模块和沟槽型SiC MOS等半导体功率元器件。在这其中,除了SiC肖特基外,其余三款产品都是在罗姆全球首次实现量产的产品。

罗姆半导体(北京)有限公司技术中心所长 水原德建先生

罗姆半导体(北京)有限公司技术中心所长 水原德建先生

此外,在近期罗姆以“SiC功率元器件市场动向和罗姆的产品战略分享”会上,罗姆半导体(北京)有限公司技术中心所长水原德建先生也表示:“从碳化硅原材料开始,一直到最后的封装组装、罗姆可实现一条龙的服务。”

什么是SiC?

SiC是将硅和碳以1:1的比例生成的一种化合物。以市面上最硬的钻石为例,它的硬度为15, SiC的硬度为13,可见SiC的硬度之大。

什么是SIC

除此之外,SiC还有五大物理特性:

1、击穿场强。(击穿场越强,可以使产品的电压做的更高。)

2、熔点比硅更高。(可以是做出的产品更耐高温,大约是硅温度3倍。)

3、电子饱和速度更快。(可以做出更高频率的产品。)

4、热传导性很高。(热传导性高,表明SiC的冷却更容易做,冷却方式更灵活。)

5、禁带宽度更宽。(可以使得产品的工作温度更好一些。)

 

几种材料的功率半导体器件的使用场景

注:左图坐左标为功率,右图纵坐标为电压,两横左标均为频率

注:左图坐左标为功率,右图纵坐标为电压,两横左标均为频率

目前,市场上基本按上图划分几种材料功率半导体器件的应用场景。当低频、高压的情况下用  Si的IGBT是最好,如果稍稍高频但是电压不是很高,功率不是很高的情况下,用Si的MOSFET是最好。如果既是高频又是高压的情况下,用SiC的 MOSFET最好。电压不需要很大,功率不需要很大,但是频率需要很高,这种情况下用GaN效果最佳。

SiC与硅Si功率元器件的性能对比

SiC与硅Si功率元器件的性能对比

与Si相比,SiC的导通电阻可以做的更低,体现在产品上面,就是尺寸降低,从而缩小体积。这在汽车行业尤为重要,特别是新能源汽车的发展对汽车轻量化提出了更高的要求。 例如:一个5000W左右的DC/DC转换器,原来用Si的IGBT产品来做的情况下,它的重量近达7kg左右,体积大约是8L左右,想对还是比较大。如果换成SiC,该DC/DC转换器的重量可以降到原来的1/8左右。

Formula E(电动方程式)赛车的逆变器

举一个更明显的实例,Formula E(电动方程式)赛车的逆变器。在2016年第三赛季罗姆开始与文图瑞Formula E车队进行官方技术合作。在此之前,文图瑞赛车的逆变器在第二赛季的时候还是用的传统IGBT模块,第3赛季罗姆便为其提供二极管(SiC-SBD),而从第4赛季开始,则提供集成了晶体管与二极管的"全SiC"功率模块,与未搭载SiC的第2赛季的逆变器相比,成功实现43%的小型化与6kg的轻量化。

SiC在新能源汽车领域发展的风口

目前,SiC在市场应用最多的主要在光伏上面,还有大数据,也就是所说的服务器。当然还有一些风能和铁路方面的应用。当然,随着汽车行业新能源汽车的发展,罗姆也看到了这一领域的巨大发展潜力。在分享会现场,水原德建先生也再次表明了罗姆对汽车领域发展的重视,他表示:“正是因为看到了这个市场的发展潜力,罗姆也做出了很大的努力。在投资方面,到2025年的时候会累计投资850亿日币。在产能方面,SiC的生产能力2021年会达到2017年的6倍,2025年的时候会达到2017年的16倍。”

SiC目前汽车上应用的主要是在这三个地方:一个是车载充电器,一个是降压压转换器,另外一个是主机逆变器。其中在车载充电器和降压转换器上的应用,SiC材料已经非常成熟。目前,各大厂商也在对主机逆变器上的应用进行研究。在媒体访问环节,水原德建先生告诉记者:“我们相信,因SiC材料本身的特性优势,相信在不久的将来,SiC材料能够凭借技术特性实现价格上的平衡,越来越多的应用在汽车的主机方面。”

据罗姆2018年财报(截止2019年3月份)显示:2018财年,罗姆销售业绩高达3989亿日元。市场业务主要分为五大类,第一类是汽车,第二类是工控,第三类是海外的消费市场,然后是日系的消费市场和日系的数码市场。汽车电子以及工业设备在罗姆所有业务中所占的比例在逐年上涨。

未来发展

对于未来发展,水原德建先生表示:“未来,罗姆将继续专注汽车电子市场、工业设备市场和海外市场。接下来,将继续推出以碳化硅为首的电源解决方案并且建立能够长期稳定供货和对应需求变动的生产体制。”