12月2日, 由FIA主办的电动汽车全球顶级赛事 'Formula E锦标赛2017-2018(第4赛季) '揭幕赛在香港举行, 其中文图瑞电动方程式车队 (VENTURI Formula E Team) 赛车的核心驱动部件逆变器正是采用了罗姆带来的 '全SiC' 功率模块. Formula E是唯一能够在新一代电动汽车中尝试最尖端技术的赛车运动, 罗姆带来的 '全SiC' 功率模块可助力赛车中最关键的电力管理方面实现更高的性能.
'全SiC' 功率模块带来的改变
Formula E是全电力驱动的汽车赛事, 因其不使用化石燃料非常环保, 在香港, 柏林, 纽约等全球多个城市的市中心举办了公路赛事. 所以如何毫无浪费地充分利用电力是Formula E赛事的制胜关键, 其技术革新有望引领普通电动汽车的技术发展.
在此次第4赛季Formula E锦标赛中, 文图瑞电动方程式车队赛车核心驱动部件逆变器采用的 '全SiC' 功率模块与以往不同. 据罗姆半导体(上海)有限公司设计中心高级经理水原德建介绍, 罗姆上个赛季为逆变器仅提供了二极管(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, 这与未搭载SiC的逆变器相比, 成功实现43%的小型化与6kg的轻量化. 可见, 通过减小体积和重量的同时, 效率提升的SiC逆变器能够很好的帮助电动车增加续航能力.
水原德建表示, 采用 '全SiC' 功率模块可以提升效率的同时又缩小体积, 对赛车的效率和空间提升会大幅改进. 在相同的电压下, SiC相比Si内部的电阻更低, 这意味同样工艺构造的产品, 只用改变材料, 就可以使得内部电阻降得更低, 性能也将更好, 尺寸更小, 可以使最终的产品实现小型化. 同时SiC可以对应更高的频率, 开关速度会比Si更快, 可以使整体的体积变的更小, 以及SiC功率模块具备更强的高温特性, 应用效能会更突出.
此外, 对于SiC与Si功率元器件相比, 在大幅降低损耗方面也被寄予厚望, 尤其是在电动汽车中的应用, 罗姆也正在推进开发应用, 加速其在电动汽车的电机和逆变器中的应用, 目前北汽和BDY电动汽车都在用罗姆的SiC功率器件.
率先量产形成一条龙生产体系
当前, 从市场发展来看, 新能源汽车正呈现爆发的态势, SiC功率器件也已经应用于电动汽车/混合动力车中的逆变器, 转换器, PFC电路等领域以及太阳能, 风能等新能源中的整流, 逆变等领域, 很多半导体厂商都看好SiC技术的未来, 并积极投身其中.
其中走在SiC功率器件产业应用前沿的除了罗姆外, 英飞凌也在加速布局. 不过据水原德建称, 相比英飞凌, 罗姆在SiC领域布局更为全面, 自2008年罗姆收购生产SiC晶圆的德国SiCrystal公司之后, 罗姆在SiC领域形成了从晶圆制造, 前期工序, 后期工序再到功率模块的一条龙生产体系, 并率先市场SiC器件的量产.
而后在2010年, 罗姆于世界首家开始量产SiC-MOSFET, 作为SiC功率元器件率先量产的企业, 罗姆开始将SiC功率元器件快速导入快充车载充电器市场, 同时在电动汽车的马达和逆变器方面的采用也在加速.
同时在SiC功率器件工艺结构方面, 罗姆改善了与结晶缺陷有关的工艺和器件结构, 并克服了SiC-MOSFET在可靠性方面的难题. SiC-MOSFET由于不产生Si材质IGBT上出现的尾电流(关断时流过的过渡电流), 所以关断时开关损耗可以减少大幅减少, 而且可实现–50kHz以上的驱动开关频率.
因此, SiC功率器件可实现机器的节能化及散热片, 电抗器和电容等周边元器件的小型化, 轻量化. 特别对于以往的Si材质IGBT, 开关损耗比导通损耗高, 可在这种应用中进行替换, 不过这种SiC功率器件替代目前还只限于电动汽车等高端应用市场, IGBT在传统市场还能保持一定的优势和占比.
整体来看, SiC功率器件在电动汽车市场应用优势明显, 电动汽车市场的快速发展也将带动SiC功率器件的市场应用. 水原德建表示, 目前罗姆在电动汽车市场的总营收占比约为三分之一, 其中SiC功率器件的晶圆生产以4英寸为主, 正在转向6英寸, 下一步会采用8英寸产线投产. 此外, 由于罗姆形成了从晶圆制造, 前期工序, 后期工序再到功率模块的一条龙生产体系, 对上游材料的Focus比较准确, 所以受全球晶圆缺货潮的影响较小, 2018年罗姆将继续发挥在汽车领域的优势, 提供更多的SiC产品, 提升其在新能源汽车市场应用占比和行业地位.