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从Formula E到电动汽车,看“全SiC”功率模块带来的改变

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来源: 集微网   发布者:邓文标
热度27票   时间:2017年12月07日 23:17
(集微网 文/邓文标)在功率元器件的发展中,虽然Si仍是当前主导的半导体材料,但SiC具有高压、高频和高温等特性优势,被视为下一代功率器件创新发展的应用方向。目前SiC-MOSFET等已经量产内置在功率模块并被新能源汽车所采用,“全SiC”功率模块也开始应用在电动方程式赛车的电机和逆变器中,而这正与幕后推手罗姆(ROHM)关联密切。
 
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BYD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。

值得提及的是,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。


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