2016年10月,ROHM(羅姆半導體)在Formula E(電動方程式錦標賽)的第三賽季與文圖里電動方程式車隊合作,。ROHM為賽車的主逆變器提供SiC器件——實際上這一時期還是包含了基于Si的IGBT和SiC SBD的,。而到了2017年12月第四賽季,ROHM就將其中的IGBT換成了SiC MOSFET,。
其核心價值,,用車隊成員Edoardo Mortara的話來說是:“我們期望更高速的馬達能擁有很高效的全局系統(tǒng)封裝。與此同時,,我們也希望能減小體積,。減小體積之后,我們就能把逆變器盡可能放到車內(nèi)最低的位置,。更低的位置這一點還是很重要的,,這樣就能更快了?!?/p>
ROHM在PIMC Asia展示的應用于賽車的逆變器,;左邊的舊版逆變器用的功率模塊為Si IGBT和Si FRD,200kW,;右邊新版則采用全SiC功率模塊,,220kW
我們前不久在上海舉辦的PIMC Asia展會上,在ROHM展位的顯眼位置看到了第二賽季老款逆變器和第四賽季采用ROHM全SiC功率模塊逆變器的尺寸對比,。工作人員告訴我們,,后者較前者重量減輕了6kg,體積縮小了43%,。這也是ROHM在SiC功率元器件,,以及汽車市場發(fā)力的驚鴻一瞥。
ROHM展位的SiC產(chǎn)品展示占了較大區(qū)塊,,包括SiC MOSFET,、SBD(肖特基二極管)和模塊三大產(chǎn)品群,甚至還有像是6寸SiC溝槽型MOSFET晶圓的展示。ROHM在展會上的動作其實特別能表明其業(yè)務重心及對SiC功率元器件的志在必得,。
SiC優(yōu)勢表現(xiàn)在哪兒,?
SiC的價值已經(jīng)被說得很多了,碳原子本身的電子數(shù)比硅要小,,所以碳原子對外層電子束縛力更強,,禁帶就比硅更寬。所以SiC形成的化學鍵更難被打破,,電子從價帶躍遷至導帶的能量要求越大,。這是寬禁帶材料相較硅基本身,更耐受高溫,、高壓的原因,;而且die可以做得更小,導通電阻更小,,導通壓降就小,,損耗發(fā)熱相對就少了;另外就是寄生電容也可以更小,,開關損耗小,,導通關斷快。應用于電力電子領域,,可在系統(tǒng)中實現(xiàn)電力轉換控制,。
SiC相比Si,有著三倍的熱導率,、寬三倍的禁帶,,至多低1000倍的導通電阻,兩倍開關速度,,所以場景就更加適合高壓應用了,,比如電源、太陽能逆變器,、電動汽車領域等,。SiC市場尤其在這兩年的發(fā)展是十分火熱的。
說得更具體些,,文首提到的應用于賽車的新版逆變器支持不同的開關頻率,,從16kHz-24kHz??捎米罡咻敵龉β?,SiC MOSFET還比舊版Si IGBT高出了20kW,但體積和重量都比Si IGBT小很多,。所以功率密度達到了更高的22kW/L,,比舊版IGBT解決方案高出57%,。
這里的傳動系統(tǒng)運行在較高的扭矩范圍內(nèi)時,模塊要求提供電流高于500Arms,。在賽車加速階段,,這個還是很重要的。上面這張圖展示了最高扭矩操作下兩版逆變器的效率曲線,。在整個區(qū)間內(nèi),,SiC MOSFET效率都更高。在50kW,、100kW輸出功率點上,,兩者的效率差異分別為5.0%和2.5%。
顯然新版逆變器具備了低損耗的特點,,也就是給汽車輪子賦予了更大的動力,。更低的損耗也表示在同樣的冷卻系統(tǒng)下,芯片溫度更低,。具體到上述賽車內(nèi)部,,SiC MOSFET逆變器外的散熱系統(tǒng)可以因此讓體積縮減超過30%,。這樣一來連鎖反應,,如果保持相同的續(xù)航里程的話,那么電池的容量和體積又可以縮減了,。
實際上,,這也很容易表明SiC的這種特性致使功率轉換模塊對電容電感等被動元器件和散熱系統(tǒng)的要求大大降低,圍繞這一核心器件帶動的是整個系統(tǒng)的優(yōu)化,。這也是SiC的誘人之處,。
劃重點:汽車與SiC
Yole去年11月份有關GaN與SiC功率元器件統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示,2017-2023年SiC功率元器件市場規(guī)模的復合年增長率為31%,,到2023年超過15億美元,。這個市場主要包含馬達驅動器、充電基礎設施,、電動汽車,、太陽能光伏、地鐵等,。這里面充電基礎設施和電動汽車相關的市場營收CAGR分別可以達到101%和76%,,所以市場還是相當巨大的。
數(shù)據(jù)來源:Yole Development
這份數(shù)據(jù)的統(tǒng)計周期比較靠前了,,當時ROHM半導體在電力電子領域營收在全球范圍內(nèi)也是能夠列入前10的,。數(shù)據(jù)統(tǒng)計了包含Si-IGBT、SiC,、GaN,、SJ MOFET在內(nèi)的項目,。而從ROHM自己的財報數(shù)據(jù)和解析,也能看出一些端倪,。
ROHM將自家業(yè)務組成切分成了IC,、分立半導體器件、模塊(Modules)和其他,。實際上我們很難從這個分類中單獨看出SiC在ROHM內(nèi)部的發(fā)展情況,。比如IC業(yè)務中的隔離式柵極驅動器IC(Isolated gate driver IC),就包含有SiC和IGBT,;分立半導體器件也同樣包含SiC器件,。
不過好在ROHM還就銷售額做了應用方面的細分,其中汽車(Automotive)應用現(xiàn)如今正是ROHM的營收支柱,,截至今年3月的財報顯示,,該應用在公司凈銷售額中占到了34.4%的量,相比去年還攀升了2.2個百分比,。ROHM在汽車領域的應用主要包括了引擎控制單元,、氣囊、汽車導航,、汽車音頻,、ADAS等。所以展示賽車中的全SiC功率模塊,,很能說明這家公司現(xiàn)如今的核心思路:市場整體趨勢和ROHM的財報,,都可以表現(xiàn)清晰的方向。
電動汽車領域的布局
我們再細看一眼這份財報,,實際就各業(yè)務收益情況來看,,ROHM的2019財年相比2018年是幾乎持平的,四大業(yè)務有進有退,。而就2020預期,,ROHM自己似乎還比較悲觀,除了Others部分之外,,其他都預期會出現(xiàn)下滑,。在財報分析中,ROHM認為,,2019年上半年的情況是非常好的,,但下半年則受到了中美貿(mào)易戰(zhàn)、英國脫歐等因素的影響,。另外就是中國汽車行業(yè)銷售出現(xiàn)滑坡——這在行業(yè)內(nèi)也是個共識了——對ROHM也有影響,;還包括了歐洲總體經(jīng)濟情況出現(xiàn)衰退。
中美貿(mào)易戰(zhàn)對工業(yè)設備市場,、家電消費產(chǎn)品市場實質(zhì)都產(chǎn)生了沖擊,,另外智能手機市場已經(jīng)步入了成熟期,。但唯獨在全球范圍內(nèi)“汽車電子市場全年穩(wěn)定發(fā)展”,“由于消費產(chǎn)品與智能手機市場的銷售下降,,以及汽車與工業(yè)設備市場的增長,,這一年的凈銷售額相比去年同期提升0.5%?!绷硗?,“在這樣的環(huán)境下,ROHM集團會持續(xù)實施加強汽車電子,、工業(yè)設備市場產(chǎn)品線的策略,,兩者預計都會在中長期持續(xù)上揚,海外市場尤其將出現(xiàn)銷售激增,?!?/p>
在業(yè)務細分的IC和Others(包括電阻器、鉭電容等)中,,汽車應用相關的銷售情況都是強勁的,。所以很容易理解ROHM現(xiàn)在的方向在哪兒。PIMC Aisa展位上,,我們看到有個小冊子叫《面向電動汽車的羅姆元器件》,,可以很好地解讀ROHM現(xiàn)如今在電動汽車的應用著力點。
1700V/250A高耐壓全SiC功率模塊,,這個模塊的最大優(yōu)勢是低導通電阻,,應用包括了高電壓脈沖電源、直流電網(wǎng),、變頻器等。
搭載SiC溝槽型MOSFET的5kW絕緣雙方向DC/DC轉換器
· 其一是前面就提到的主逆變器,,這部分是將電池的直流電轉換為三相交流電來驅動電機的組件,。SiC MOSFET和SiC SBD是重要發(fā)展方向,對于低導通電阻化是有優(yōu)勢的,;
· 其二是車載充電樁(OBC)的AC/DC轉換器,,將交流電壓100-240V轉換為直流電壓,對高電壓電池充電,。這是SiC一個非常典型的應用場景,,因為電動車充電要求時間短,快速充電標準的電壓是趨于變高的,。
· 其三,,DC/DC轉換器,通過控制功率元器件,,高壓電池電壓經(jīng)變壓器轉換為直流低電壓,。SiC MOSFET可以實現(xiàn)高速開關工作,,提高安全性的同時實現(xiàn)小型化和高性能。
· 還有電動壓縮機,,車內(nèi)的空調(diào)壓縮機由電力驅動,,控制旋轉的逆變器的高耐壓、高可靠性,、高效率特性就很重要了,,不過這部分ROHM尚側重在IGBT。
對電動汽車而言,,提高續(xù)航里程,、縮短充電時間,更輕量化,、高性能,、耐受更嚴苛的環(huán)境,以及本身系統(tǒng)電壓平臺高壓化的趨勢(歐洲已經(jīng)提出過800V的電壓平臺),,都是選擇SiC的原因,。
我們在這次展會上還看到了一款1700V/250A的全SiC功率模塊,工作人員說模塊的高電壓已經(jīng)超過了混合電力汽車的需求,,對于戶外發(fā)電系統(tǒng)和工業(yè)高功率供給的逆變和變頻應用還是相當適用的,。
推進與時間
ROHM在SiC MOSFET方面的開發(fā)動作是從2002年開始的,樣品發(fā)貨是在2005年,,300A MOSFET試產(chǎn)于2007年,,2008年發(fā)布溝道結構(2015年量產(chǎn))。2009年是個節(jié)點,,這年7月ROHM收購德國SiCrystal公司,,從這個時候開始就確立了ROHM作為SiC IDM的生產(chǎn)體制?!拔覀儚腟iC晶圓,、原材料,到后面的封裝都是自己公司完成的,,這個在世界上都是屈指可數(shù)的生產(chǎn)體質(zhì),。工業(yè)設備、汽車領域都需要長期穩(wěn)定的供貨,,我們ROHM是可以做到的,。”
ROHM工廠制造的6寸SiC溝槽型MOSFET晶圓,,4寸到6寸晶圓生產(chǎn)的轉變期應該還在持續(xù)
ROHM從2010年開始量產(chǎn)SiC SBD和MOSFET產(chǎn)品,,2012年量產(chǎn)完整的SiC功率模塊。目前ROHM的SiC產(chǎn)品包括了SBD,、MOSFET,、功率模塊(將半導體芯片融合到一個單獨的模塊中),。這樣看來,ROHM在SiC方面的布局并非一朝一夕,,而是“蓄謀已久”的,。
這兩年有關ROHM擴充SiC產(chǎn)能、進駐新市場的新聞還是不少的,,比如去年宣布計劃在日本筑后的Apollo工廠打造新的11000平米三層建筑——這個計劃應該預計在2020年末完工,。去年9月,ROHM宣布針對印度電動汽車市場推解決方案,,滿足針對電動汽車和混合電動車的增長需求,,其中一個核心就是SiC功率元器件。今年三月,,ROHM宣布推出新的汽車級SiC MOSFET系列AEC-Q101(擊穿電壓650V/1200V)……
今年早前ROHM電源系統(tǒng)相關負責人Aly Mashaly提到,,預計2025年ROHM要拿下30%的市場份額,令其成為這一市場的頭號玩家,。目前SiC需要解決的問題應該仍然是成本,,預計成本方面的削減需要隨電動汽車行業(yè)的進一步發(fā)展,這可能是未來2-3年的行情,?;乜垂?020財年財務成績預期下滑也就不奇怪了,進一步的成本投入,,應該是ROHM近一兩年的規(guī)劃,。