“三高”SiC,新能源汽車應用將現高增長

2019-06-28 來源: 網絡整理

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在2018年11月6至8日于上海舉辦中國汽車工程學會年會暨展覽會(SAECCE)上,全球知名半導體制造商羅姆(總部位于日本京都)攜多款新產品亮相。在同期舉辦的“新能源汽車及混合動力技術分論壇”上,羅姆半導體(北京)有限公司設計中心所長水原德健先生發表了“面向新能源汽車的SiC(碳化硅)解決方案”的主題演講。會后,水原德健還就SiC在汽車行業應用的優勢、趨勢等話題接受了汽車制動網的專訪。

“三高”SiC,新能源汽車應用將現高增長

水原德健在“中國汽車工程學會年會暨展覽會(SAECCE)”現場發表演講

如業內人士所知,時至今日,半導體產業發展經歷了三個階段,第一代半導體材料以硅(Si)為代表;第二代半導體材料砷化鎵(GaAs)也已經廣泛應用;第三代半導體材料則以氮化鎵(GaN)和碳化硅(SiC)、氧化鋅(ZnO)等寬禁帶為代表。相較前兩代產品,第三代半導體材料具有高擊穿電場、高飽和電子速度、高熱導率、高電子密度、高遷移率等特點,非常適用于制作高溫、高頻、抗輻射及大功率器件。

第三代半導體材料SiC的“三高”

據水原德健介紹,相比Si材料,第三代的SiC具有“三高(高溫、高壓、高頻)”等綜合優勢。在耐高溫方面,SiC材料可達到250℃,比Si高出50℃。采用SiC材料,器件的散熱板可以設計的小一些,外觀尺寸更緊湊(輕量化)。在耐高壓方面,Si材料的耐壓瓶頸在900V左右,雖然也能在1200V,甚至1500V下工作,但性能特性會有所下降,如果要達到1700V或以上,則必須要使用第三代的SiC材料。因為SiC材料擊穿場強(Breakdown Electriic Field)指標幾乎能達到Si的10倍。在滿足高頻響應方面,SiC材料的開關速度更快,使得器件內的電阻、電感、線圈能以更小、更緊湊的尺寸滿足系統需求。其中,線圈的尺寸可縮小至原先的1/10。

“三高”SiC,新能源汽車應用將現高增長

↑在滿足同等性能特性的需求時,采用具有高溫、高壓、高頻優勢的SiC材料制作的功率器件,可以比Si更薄、更輕、更小巧。

水原德健表示,在滿足同等性能特性的需求時,采用具有高溫、高壓、高頻優勢的SiC材料制作的功率器件,可以比Si更薄、更輕、更小巧。無疑,SiC材料“三高”特性正好滿足了新能源汽車的應用所需。就目前SiC材料發展而言,在新能源汽車中的主要應用包括:車載充電器、DC/DC電壓轉換器、主機逆變器以及無線充電。他預計,采用SiC的功率器件有望在2022年出現爆發式增長。同時,車載充電器采用SiC材料,可實現更高的充電效率、更長的續駛里程。

活動現場,羅姆展示了其與Formula-E參賽隊-文圖里(Venturi)車隊合作的技術成果示意圖。水原德健說,雙方的合作起步很早,從2016年的第三賽季就開始了。幾年來,在Formula-E賽車電力驅動主逆變器上的應用演進,也驗證了SiC元器件的性能優勢。例如,同為200kW功率,第三賽季相比第二賽季傳統的逆變器,采用SiC材料后總量減輕了2kg、尺寸縮小了19%。而第四賽季應用了全SiC模塊的主逆變器(220KW)相比第二賽季,實現減重6kg、體積縮小43%。

“三高”SiC,新能源汽車應用將現高增長

現場展示的Formula-E宣傳海報

SiC材料新能源汽車應用增勢驚人

權威機構統計數據顯示,2017年,羅姆位列SiC市場前三甲,而且與排名前兩位的市場份額非常接近。

采訪中,水原德健詳細介紹了羅姆SiC的發展歷史。他說,早在2002年,公司就開始進行SiC材料的基礎研發。2009年收購了SiC晶圓供應商德國SiCrystal公司, 2010年,完善并確立了羅姆在SiC器件領域一條龍的生產體系,羅姆第一代肖特基勢壘二極管量產,是當時日本首家、全球第4家具備該量產能力的半導體廠商。同年12月,羅姆作為全球第一家公司量產了SiC MOSFET。2012年,羅姆SiC全模塊產品開始量產。2015年,采用創新的溝槽構造的第二代SiC MOSFET投產。相比第一代采用平面構造的產品,第二代產品芯片尺寸更小,并通過導通電阻的降低,使得器件具備更大的通過電流(功率)。最新的第三代SiC功率器件也于2017年11月開始量產。

談到SiC全球應用概況,水原德健說,2013年起SiC材料開始逐步被使用。目前,SiC材料主要應用于這四大市場:風電、太陽能等綠色能源領域;服務器等信息和通信(ICT)行業;新能源汽車;工業控制。他坦言,受較高成本的限制,除了個別車型外,目前SiC材料在新能源汽車上的應用還未普及開。不過,展望未來,新能源汽車應用增長是最快的。據行業最新統計和預測,SiC材料全球市場規模將從2017年的4億美元快速增長到2025年的16億美元,樂觀的預測甚至能達到34億美元。水原德健透露,為了把握SiC材料快速增長的機遇,羅姆計劃分批投入共計600億日幣,至2025年時將SiC的產能提升至2017年的16倍。力爭到2025年,羅姆能在全球SiC市場的份額達到30%。

“三高”SiC,新能源汽車應用將現高增長

羅姆半導體(北京)有限公司設計中心所長 水原德健

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