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探秘罗姆布局SiC功率器件的“宏图大业”

《名企发布会动态》
2019-07-15 16:45 来源:电源网原创 编辑:Janet

作为半导体,SiC功率器件具有极其优秀的性能:更高耐压、更低导通电阻,可在更高温条件下更高速地工作。

为了促进解决节能环保的全球性课题,削减功率转换时产生的能耗是当务之急。而通过将SiC应用到功率元器件上,可以实现以往Si功率元器件无法实现的低损耗功率转换。根据拓墣产业研究院估计,2018年全球SiC基板产值将达1.8亿美元。日前,罗姆半导体(北京)有限公司技术中心所长水原德健分享他对SiC功率元器件市场动向的见解,以及罗姆SiC产品在汽车应用领域中的布局。

探秘罗姆布局SiC功率器件的“宏图大业”

罗姆半导体(北京)有限公司技术中心所长水原德健先生现场演讲

相较于硅晶圆(Si),第三代半导体材料SiC除了耐高电压的特色外,还具备耐高温、易冷却、的优势,更低的阻抗、更高频率的运行可使芯片面积大幅减少,并能简化周边电路的设计,达到减少模组、系统周边的零组件及冷却系统的体积。“以5kW LLC DC/DC转换器为例,使用SiC MOS器件比Si IGBT器件重量减少87%,体积减少84%,芯片面积约为原来的1/4,同时损耗降低63%,频率达到160kHz,为原来的6.4倍。”水原德健先生补充说,“与Si-IGBT/Si-MOS的开关特性相比,SiC-MOS开关OFF时的损耗大幅减少,体二极管的恢复特性特别好。”

除了轻化车辆设计之外,SiC的低导通电阻及低切换损失的特性,也能大幅降低车辆运转时的能源转换损失,这对于电动汽车续航力的提升有相当大的帮助。随着行驶里程延长,缩短充电时间,以及更高的电池容量成为电动汽车市场的大趋势,预计2021年SiC器件将在OBC、DC/DC、逆变器、无线充电,以及用于快速充电的大功率DC/DC上全面应用。电动汽车的发展将与SiC功率组件的技术与市场发展密不可分。新应用的出现也将推动碳化硅电力电子器件市场的发展。据《东洋经济》资料显示,到2025年SiC器件的市场规模将达到约35亿美金,比现在多7倍。

探秘罗姆布局SiC功率器件的“宏图大业”

6寸SiC沟槽型MOSFET晶圆展示

在SiC-MOSFET不断发展的进程中,罗姆于全球首家实现沟槽结构SiC-MOSFET量产,其导通电阻与平面型SiC-MOSFET相比降低约50%,同时输入电容降低约35%,有效地提高了开关性能。基于沟槽结构SiC-MOSFET的优势,罗姆又开发出采用该器件的“全SiC”功率模块。模块内部电路为二合一(2in1)结构,采用SiC-MOSFET及SiC-SBD,额定电压为1200V,额定电流达到180A。与同等水平额定电流的Si-IGBT模块产品相比,其优势非常明显。即使与使用平面型SiC-MOSFET的“全SiC”模块相比,其开关损耗也降低约42%。罗姆全SiC功率模块正以其优秀的特性,助力罗姆将产品从家电、光伏储能、数据中心/服务器/UPS、智能电网/充电站、FA/驱动电源、xEV领域拓展至铁路、风电领域等更高功率的应用中。

探秘罗姆布局SiC功率器件的“宏图大业”

1200V 400A/600A 全SiC功率模块展示

关于为什么在Formula E赛季提供技术支持?

如今,电动汽车除了电池和电机之外,逆变器已经成为产业发展的决定因素,因为逆变器负担着控制来自电池的电力并传送至电机的重要作用。在罗姆看来,逆变器面临着两大难题:高效化和小型化。水原德健先生表示,通过SiC可提高3%-5%的逆变器效率,能够降低电池成本及容量,并且SiC MOS的电池容量更大,可以很容易率先引入高档车中。

Formula E第四赛季罗姆为文图瑞车队提供的“全SiC”功率模块就是一个生动的例子。罗姆希望通过为文图瑞Formula E赛车提供技术支持,不断精进“全SiC”功率模块的制造能力,推进功率半导体的技术革新,为节能环保事业贡献自己的力量。

水原德健先生进一步解释说,罗姆曾在2016年Formula E的第三赛季为文图瑞里电动方程式赛车的主逆变器提供SiC器件——SiC SBD。而到了2017年第四赛季,又提供了SiC MOSFET,赛车实现更高性能。后者较前者重量降低4kg,尺寸减小24%。其核心价值,用车队成员Edoardo Mortara的话来说是:“我们期望更高速的马达能拥有很高效的全局系统封装。与此同时,我们也希望能减小体积。减小体积之后,我们就能把逆变器尽可能放到车内最低的位置。更低的位置这一点还是很重要的,这样就能更快了。”

罗姆如何布局SiC功率器件大市场?

由于SiC的人工制造过程极其困难,导致SiC功率元器件如何量产一直是业界的难题。罗姆早在2000年就开始SiC的研发,并且自2009年收购生产SiC晶圆制造商德国SiCrystal公司以来,便成为了全球屈指可数的进行碳化硅功率器件一条龙生产的厂家。从2010年在日本率先开始了SiC SBD量产,全球第一SiC MOS量产,2012年全SiC模块全球第一量产,到2015年全球首发沟槽型SiC MOS量产,罗姆一路做好前瞻布局,取得了不俗的成绩。

碳化硅生产供应商罗姆,拥有完全垂直整合的制造工艺,从SiC拉晶,晶圆制造到封装组装均可实现一条龙生产机制。现有SiC分立器件产品阵容拥有650V,1200V,1700V三种电压,以及全SiC功率模组。2020年5G将迈入商用,加之汽车正走向电动化与智能化,预计未来五年SiC基板在通过车厂验证与5G商用的带动下,将进入高速成长期。近年来,罗姆SiC功率元件产能持续扩张,也为电动汽车普及带来的巨大市场做好了准备。

从罗姆销售额的构成比例来看,目前,在日系数码家电领域占比逐年缩小,在其他日系消费电子、海外消费电子所占比例基本持平,而汽车电子、工业设备市场比例增长明显,约从2004年的16%,上升到2020年的51%。罗姆2019年3月公布2018财年业绩销售额达到3,989亿日元。

水原德健先生表示,罗姆将不断扩充SiC元器件的量产产品阵容,并积极致力于新产品的开发。未来将重点发力在汽车电子市场、工业设备市场及海外市场,持续提高市场份额,重点产品为电源类SiC/栅极驱动器/IPM,模拟类电源IC/驱动IC,标准产品类通过IC/分立元器件,并且将进一步强化制造,旨在建立能够长期稳定供货和对应需求变动的生产体制。罗姆也将凭借自己在材料、元器件、解决方案的优势,保持SiC MOSFET市场份额的领先。

2008年,为了推动汽车用逆变器的小型化,罗姆开始开发驱动SiC的磁隔离栅极驱动器,如今已在车载磁隔离栅极驱动器IC市场取得80%以上的份额,未来随着EV车小型化要求的不断提高,磁隔离式的比例也将快速上升,罗姆会力争保持绝对性的市场份额,扩大销售额。在标准产品的布局战略,罗姆将以不断发展的车载市场为轴心,凭借供给能力和可靠性,在全球确立并强化通用元器件不可动摇的市场地位。

为了带动第三代半导体材料碳化硅(SiC)的发展,提高SiC MOSFET在实际工程中的易用性,进一步扩大在能源(太阳能、蓄电、EV充电桩、下一代电网),电动车辆xEV(OBC、主机逆变器、DCDC),FA、工业用设备,ICT(服务器、数据中心)领域的市场份额,罗姆正通过建立自有工厂和封测代工,提高内外部产能,应对需求的变动及风险。未来在以SiC为核心的宽禁带领域,相信罗姆一定会延续其在系统IC产业的竞争力,在世界电子行业中实现其“宏图大业”。

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