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电动汽车打开应用窗口:SiC产品要来了!

导读: 目前,电动汽车电力驱动部分仍主要采用硅(Si)基功率器件,许多方面已逼近甚至达到了其材料的本征极限,如电压阻断能力、正向导通压降、器件开关速度等,尤其在高频和高功率领域更显示出其局限性。

“预计到2021年三季度,汽车及工业应用将占到公司营收的50%份额,其中汽车市场占比将达35%,工业应用市场占比为15%”ROHM半导体集团中国营业部董事长竹内善行对于未来发展机遇如是表述:“快速增长的电动汽车市场,将为ROHM公司带来巨大的增长空间”。

12月2日,电动汽车全球顶级赛事“FIA Formula E锦标赛2017-2018(第4赛季)”赛事在香港正式拉开帷幕。全球知名半导体厂商ROHM为文图瑞电动方程式车队(VENTURI Formula E Team)提供了“全SiC”功率模块,在保障效率的同时,大幅度降低逆变器尺寸及重量,在轻量化及节能方面表现优异。

ROHM作为SiC功率元器件的领军企业,从第3赛季开始与文图瑞签署官方技术合作协议,为逆变器这一赛车核心驱动部件提供全球最先进的SiC功率元器件。上个赛季仅提供了二极管(SiC-SBD),但从第4赛季开始,将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。

为什么要用SiC器件?

我们都知道,在经历了三十年左右时间发展,硅(Si)产品开始出现技术瓶颈,在高温、高压及高频应用时损耗较大。除此之外,硅产品的结构特性,决定了其在体积减小及散热方面必将出现矛盾。为此,行业也在不断尝试开发替代方案,其中SiC和GaN被认为是理想的解决方案。

对此,ROHM半导体(上海)有限公司设计中心高级经理水原德健认为:“由于结构的不同,SiC相对于Si在晶圆尺寸方面具有天然的优势,其元器件尺寸可减小为硅产品的1/2。此外,由于SiC可以曾受高频特性,无缘器件尺寸可减小为硅产品的1/10。另外,基于耐高温特性,SiC可以采用风冷形式,大幅度降低冷却系统体积。总体而言,在高温、高频、高压、热导率、衰减电场特性方面,SiC相对于Si产品实现了全方面超越,这也是行业对其热情不减的原因。”

对于SiC和GaN谁更具前景的问题,水原德健也做了具体的说明:“虽然说SiC和GaN都被行业寄予厚望,GaN或许更具成本优势,但这二者将拥有各自的应用领域。GaN更多地面向低压应用市场,如100V-150V方面,SiC器件则更加偏向于高压市场应用。目前,ROHM在高压方面,SiC功率器件已经可达1700V,3300V-6500V样品也已经具备。未来,ROHM在SiC和GaN方面都将持续跟进,为用户提供全方位解决方案。”

持续发力SiC功率器件

回顾SiC产品发展历程,在2003年美国Cree公司率先推出相关产品之后,并未在市场上引起很大的波澜。直到2010年之后,业界才开始将更多关注度放在SiC产品,目前主要厂商包括ROHM、Infineon以及Cree公司。

据YOLE预测,到2020年全球SiC应用市场规模达到5亿美元,而到2022年全球SiC市场将会进一步翻一番达到10亿美元的规模。虽然说增长潜力加大,但是产业规模较小,成本相对偏高已成为SiC应用的主要制约因素。对此,水原德健认为:“虽然SiC产品发展迅速,但未来Si产品仍将占据主要的市场份额,SiC产品市场占比预计将达10%左右”。

“在成本降低方面,我们已经开始使用更大尺寸晶圆工艺,大幅度提升产能。此外,在拉伸精度及切割精度等方面持续改进。另一方面,ROHM还将进一步突破SiC工艺技术,提升产品性能。” 水原德健对于SiC技术改进方面也做了具体介绍:“通过采用独创的结构,ROHM在全球首家实现了采用沟槽结构的SiC-MOSFET的量产。与已经在量产中的平面型SiC-MOSFET相比,导通电阻可降低约50%,同时还提高了开关性能(输入电容降低约35%),成为行业划时代的里程碑。自2002年开始进行相关研发以来,ROHM在SiC功率器件方面已经处于行业领先地位,并取得了多项世界第一。未来将在风电、光伏、工业、高铁、电动/混动汽车、数据中心、空调家电等领域取得广泛应用。”

电动汽车助力SiC发展

近年来,在全球节能减排的背景下,电动汽车成为各国政府重点关注的方向。据波士顿咨询公司(BCG)最新报告显示,电动汽车正越来越受到人们欢迎,预计到2030年近一半的新车销量将是电动汽车。中国汽车销量在2019年将达到约2800万辆,其中电动汽车的销量约为10%,达到280万辆。由此可见,电动汽车已经成为全球可持续发展的必然趋势。

对于电动汽车而言,续航里程、充电速度及能源利用效率已经成为当下消费者选择的重要因素。其中,电力驱动系统直接影响着电动汽车性能、可靠性及成本。目前,电动汽车电力驱动部分仍主要采用硅(Si)基功率器件,许多方面已逼近甚至达到了其材料的本征极限,如电压阻断能力、正向导通压降、器件开关速度等,尤其在高频和高功率领域更显示出其局限性。因此,在电动汽车电力驱动小型化及轻量化的发展趋势下,SiC功率器件迎来了前所未有的发展机遇。

“基于在SiC功率器件方面的领先优势,ROHM主要致力于电动汽车主逆变器、DC/DC转换器、车载充电器、电动压缩机等单元的研发生产。目前,车载充电器搭载SiC SBD已经成为主流。今后,搭载支持高耐压、高效率的SiC MOSFET将会得到发展,从而进一步提高充电效率,缩短充电时间。” 水原德健表示:“相对于其他厂商,ROHM具有从上游材料、晶圆芯片、SiC模块到功率器件完整的产业链布局,并且能够提供与功率元器件控制IC及电源、变压器、二极管、分流电阻器等各种通用产品配套的解决方案,为用户提供高品质的产品和服务,为节能减排贡献自己的力量。”

小结:

过去几年,由于产能及成本限制使得SiC产品一直束之高阁。随着技术的不断更新换代,以及电动汽车市场的巨大助力,SiC产品有望迎来快速增长期。与此同时,如何与硅基产品构建的系统融合,最大限度地发挥性能优势,也是SiC产品需要面对的现实问题。

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