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“蓄谋已久”的SiC之路,谈罗姆半导体的发展布局

时间:2019-07-05 作者:黄烨锋 阅读:
SiC的价值已经被说得很多了,相比Si,有着三倍的热导率、宽三倍的禁带,至多低1000倍的导通电阻,两倍开关速度,所以场景就更加适合高压应用了,比如电源、太阳能逆变器、电动汽车领域等。SiC市场尤其在这两年的发展是十分火热的。
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2016年10月,ROHM(罗姆半导体)在Formula E(电动方程式锦标赛)的第三赛季与文图里电动方程式车队合作。ROHM为赛车的主逆变器提供SiC器件——实际上这一时期还是包含了基于Si的IGBT和SiC SBD的。而到了2017年12月第四赛季,ROHM就将其中的IGBT换成了SiC MOSFET。

其核心价值,用车队成员Edoardo Mortara的话来说是:“我们期望更高速的马达能拥有很高效的全局系统封装。与此同时,我们也希望能减小体积。减小体积之后,我们就能把逆变器尽可能放到车内最低的位置。更低的位置这一点还是很重要的,这样就能更快了。”

SiC19070501.jpgROHM在PIMC Asia展示的应用于赛车的逆变器;左边的旧版逆变器用的功率模块为Si IGBT和Si FRD,200kW;右边新版则采用全SiC功率模块,220kW

我们前不久在上海举办的PIMC Asia展会上,在ROHM展位的显眼位置看到了第二赛季老款逆变器和第四赛季采用ROHM全SiC功率模块逆变器的尺寸对比。工作人员告诉我们,后者较前者重量减轻了6kg,体积缩小了43%。这也是ROHM在SiC功率元器件,以及汽车市场发力的惊鸿一瞥。

ROHM展位的SiC产品展示占了较大区块,包括SiC MOSFET、SBD(肖特基二极管)和模块三大产品群,甚至还有像是6寸SiC沟槽型MOSFET晶圆的展示。ROHM在展会上的动作其实特别能表明其业务重心及对SiC功率元器件的志在必得。

SiC优势表现在哪儿?

SiC的价值已经被说得很多了,碳原子本身的电子数比硅要小,所以碳原子对外层电子束缚力更强,禁带就比硅更宽。所以SiC形成的化学键更难被打破,电子从价带跃迁至导带的能量要求越大。这是宽禁带材料相较硅基本身,更耐受高温、高压的原因;而且die可以做得更小,导通电阻更小,导通压降就小,损耗发热相对就少了;另外就是寄生电容也可以更小,开关损耗小,导通关断快。应用于电力电子领域,可在系统中实现电力转换控制。

SiC相比Si,有着三倍的热导率、宽三倍的禁带,至多低1000倍的导通电阻,两倍开关速度,所以场景就更加适合高压应用了,比如电源、太阳能逆变器、电动汽车领域等。SiC市场尤其在这两年的发展是十分火热的。

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说得更具体些,文首提到的应用于赛车的新版逆变器支持不同的开关频率,从16kHz-24kHz。可用最高输出功率,SiC MOSFET还比旧版Si IGBT高出了20kW,但体积和重量都比Si IGBT小很多。所以功率密度达到了更高的22kW/L,比旧版IGBT解决方案高出57%。

这里的传动系统运行在较高的扭矩范围内时,模块要求提供电流高于500Arms。在赛车加速阶段,这个还是很重要的。上面这张图展示了最高扭矩操作下两版逆变器的效率曲线。在整个区间内,SiC MOSFET效率都更高。在50kW、100kW输出功率点上,两者的效率差异分别为5.0%和2.5%。

显然新版逆变器具备了低损耗的特点,也就是给汽车轮子赋予了更大的动力。更低的损耗也表示在同样的冷却系统下,芯片温度更低。具体到上述赛车内部,SiC MOSFET逆变器外的散热系统可以因此让体积缩减超过30%。这样一来连锁反应,如果保持相同的续航里程的话,那么电池的容量和体积又可以缩减了。

实际上,这也很容易表明SiC的这种特性致使功率转换模块对电容电感等被动元器件和散热系统的要求大大降低,围绕这一核心器件带动的是整个系统的优化。这也是SiC的诱人之处。

划重点:汽车与SiC

Yole去年11月份有关GaN与SiC功率元器件统计数据显示,2017-2023年SiC功率元器件市场规模的复合年增长率为31%,到2023年超过15亿美元。这个市场主要包含马达驱动器、充电基础设施、电动汽车、太阳能光伏、地铁等。这里面充电基础设施和电动汽车相关的市场营收CAGR分别可以达到101%和76%,所以市场还是相当巨大的。

SiC19070503.png数据来源:Yole Development

这份数据的统计周期比较靠前了,当时ROHM半导体在电力电子领域营收在全球范围内也是能够列入前10的。数据统计了包含Si-IGBT、SiC、GaN、SJ MOFET在内的项目。而从ROHM自己的财报数据和解析,也能看出一些端倪。

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ROHM将自家业务组成切分成了IC、分立半导体器件、模块(Modules)和其他。实际上我们很难从这个分类中单独看出SiC在ROHM内部的发展情况。比如IC业务中的隔离式栅极驱动器IC(Isolated gate driver IC),就包含有SiC和IGBT;分立半导体器件也同样包含SiC器件。

不过好在ROHM还就销售额做了应用方面的细分,其中汽车(Automotive)应用现如今正是ROHM的营收支柱,截至今年3月的财报显示,该应用在公司净销售额中占到了34.4%的量,相比去年还攀升了2.2个百分比。ROHM在汽车领域的应用主要包括了引擎控制单元、气囊、汽车导航、汽车音频、ADAS等。所以展示赛车中的全SiC功率模块,很能说明这家公司现如今的核心思路:市场整体趋势和ROHM的财报,都可以表现清晰的方向。

SiC19070505.png

电动汽车领域的布局

我们再细看一眼这份财报,实际就各业务收益情况来看,ROHM的2019财年相比2018年是几乎持平的,四大业务有进有退。而就2020预期,ROHM自己似乎还比较悲观,除了Others部分之外,其他都预期会出现下滑。在财报分析中,ROHM认为,2019年上半年的情况是非常好的,但下半年则受到了中美贸易战、英国脱欧等因素的影响。另外就是中国汽车行业销售出现滑坡——这在行业内也是个共识了——对ROHM也有影响;还包括了欧洲总体经济情况出现衰退。

中美贸易战对工业设备市场、家电消费产品市场实质都产生了冲击,另外智能手机市场已经步入了成熟期。但唯独在全球范围内“汽车电子市场全年稳定发展”,“由于消费产品与智能手机市场的销售下降,以及汽车与工业设备市场的增长,这一年的净销售额相比去年同期提升0.5%。”另外,“在这样的环境下,ROHM集团会持续实施加强汽车电子、工业设备市场产品线的策略,两者预计都会在中长期持续上扬,海外市场尤其将出现销售激增。”

在业务细分的IC和Others(包括电阻器、钽电容等)中,汽车应用相关的销售情况都是强劲的。所以很容易理解ROHM现在的方向在哪儿。PIMC Aisa展位上,我们看到有个小册子叫《面向电动汽车的罗姆元器件》,可以很好地解读ROHM现如今在电动汽车的应用着力点。

SiC19070506.jpg1700V/250A高耐压全SiC功率模块,这个模块的最大优势是低导通电阻,应用包括了高电压脉冲电源、直流电网、变频器等。

SiC19070507.jpg搭载SiC沟槽型MOSFET的5kW绝缘双方向DC/DC转换器

· 其一是前面就提到的主逆变器,这部分是将电池的直流电转换为三相交流电来驱动电机的组件。SiC MOSFET和SiC SBD是重要发展方向,对于低导通电阻化是有优势的;

· 其二是车载充电桩(OBC)的AC/DC转换器,将交流电压100-240V转换为直流电压,对高电压电池充电。这是SiC一个非常典型的应用场景,因为电动车充电要求时间短,快速充电标准的电压是趋于变高的。

· 其三,DC/DC转换器,通过控制功率元器件,高压电池电压经变压器转换为直流低电压。SiC MOSFET可以实现高速开关工作,提高安全性的同时实现小型化和高性能。

· 还有电动压缩机,车内的空调压缩机由电力驱动,控制旋转的逆变器的高耐压、高可靠性、高效率特性就很重要了,不过这部分ROHM尚侧重在IGBT。

对电动汽车而言,提高续航里程、缩短充电时间,更轻量化、高性能、耐受更严苛的环境,以及本身系统电压平台高压化的趋势(欧洲已经提出过800V的电压平台),都是选择SiC的原因。

我们在这次展会上还看到了一款1700V/250A的全SiC功率模块,工作人员说模块的高电压已经超过了混合电力汽车的需求,对于户外发电系统和工业高功率供给的逆变和变频应用还是相当适用的。

推进与时间

ROHM在SiC MOSFET方面的开发动作是从2002年开始的,样品发货是在2005年,300A MOSFET试产于2007年,2008年发布沟道结构(2015年量产)。2009年是个节点,这年7月ROHM收购德国SiCrystal公司,从这个时候开始就确立了ROHM作为SiC IDM的生产体制。“我们从SiC晶圆、原材料,到后面的封装都是自己公司完成的,这个在世界上都是屈指可数的生产体制。工业设备、汽车领域都需要长期稳定的供货,我们ROHM是可以做到的。”

SiC19070508.jpgROHM工厂制造的6寸SiC沟槽型MOSFET晶圆,4寸到6寸晶圆生产的转变期应该还在持续

ROHM从2010年开始量产SiC SBD和MOSFET产品,2012年量产完整的SiC功率模块。目前ROHM的SiC产品包括了SBD、MOSFET、功率模块(将半导体芯片融合到一个单独的模块中)。这样看来,ROHM在SiC方面的布局并非一朝一夕,而是“蓄谋已久”的。

这两年有关ROHM扩充SiC产能、进驻新市场的新闻还是不少的,比如去年宣布计划在日本筑后的Apollo工厂打造新的11000平米三层建筑——这个计划应该预计在2020年末完工。去年9月,ROHM宣布针对印度电动汽车市场推解决方案,满足针对电动汽车和混合电动车的增长需求,其中一个核心就是SiC功率元器件。今年三月,ROHM宣布推出新的汽车级SiC MOSFET系列AEC-Q101(击穿电压650V/1200V)……

今年早前ROHM电源系统相关负责人Aly Mashaly提到,预计2025年ROHM要拿下30%的市场份额,令其成为这一市场的头号玩家。目前SiC需要解决的问题应该仍然是成本,预计成本方面的削减需要随电动汽车行业的进一步发展,这可能是未来2-3年的行情。回看公司2020财年财务成绩预期下滑也就不奇怪了,进一步的成本投入,应该是ROHM近一两年的规划。

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黄烨锋
欧阳洋葱,编辑、上海记者,专注成像、移动与半导体,热爱理论技术研究。
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