碳化硅“第一大客户”电动汽车，牵引逆变器需要什么样的功率模块？

在功率半导体领域，近年来最热的点毫无疑问是碳化硅（SiC），其材料特性决定了它比硅（Si）器件更适合大功率、高压和高频应用。从物理特性看， SiC的禁带宽度更宽，大约是Si的3倍左右；击穿场更强，大约是Si的10倍，这使得SiC材料的耐压特性更好，更适合做高压应用。其次，SiC的电子饱和速度更高，因而开关速度更快，所以能做到更节能、更小型化。

总体上，SiC适合应用在电动汽车、工业设备和可再生能源系统等高性能应用赛道，而这些恰恰是当前极具市场潜力的赛道。

电动汽车是碳化硅应用第一大户

根据市场研究公司Yole Group发布的数据，预计到2029年，SiC功率器件市场规模将达到100亿美元，同时宽禁带技术预计将占据全球功率电子市场35%以上的份额，其中SiC占28.6%。随着SiC在800V电动汽车中的应用，预计未来5年汽车行业将占设备市场的近80%。

罗姆半导体(上海有限公司深圳分公司 技术中心高级经理 苏勇锦（《电子工程专辑》摄）

“根据罗姆的预测，到2025财年SiC潜在市场规模有望超2,000亿日元（约合12.43亿美元），2028财年将达到10,000亿日元（约合62.17亿美元）。”8月28日，在2024深圳国际电力元件、可再生能源管理展览会（以下简称PCIM Asia）上，罗姆半导体(上海)有限公司深圳分公司技术中心高级经理 苏勇锦在媒体交流会上对《电子工程专辑》等媒体表示，根据第三方机构Yole Group报告，电动汽车中牵引逆变器对功率的要求最高，其中用到的碳化硅、IGBT晶圆数也最大，如果对电动车的功率器件进行细分，可以看到全碳化硅模块占比高达90%以上，“罗姆也看到了这个市场需求点。”

目前，罗姆已经拿到的pipeline（订单储备）达到了1万亿日币，基于市场的需求、产品竞争力和已经获得的具体订单数反推，“销售业务目标是2025财年，碳化硅板块做到1,100亿日元（约合7.5亿美元），2027财年达到2,200亿日元（约合15亿美元）。目前统计到2027年量产的所有项目，罗姆已经在全球范围内获得130家以上的Design-win。包括基本半导体、芯驰科技、正海集团、臻驱科技，以及吉利等皆与罗姆建立合作。” 苏勇锦说道。

大力布局碳化硅领域

本次展会，罗姆聚焦SiC和氮化镓（GaN）等宽禁带半导体，展示了其面向工业设备和汽车领域的丰富产品阵容及解决方案。其中，先进的第4代SiC MOSFET技术实现了业界领先的低导通电阻，充分地减少了开关损耗，并支持15V和18V的栅极-源极电压，有助于在包括汽车逆变器和各种开关电源在内的各种应用中实现显著的小型化和低功耗。

罗姆半导体在2024 PCIM Asia上的EcoSiC™产品系列展示（《电子工程专辑》摄）

苏勇锦介绍了罗姆在碳化硅功率元器件和模块的开发领域推出的EcoSiC™品牌。前半部分Eco有“环保、生态”的含义，后半部分的SiC是罗姆重点发展的战略产品之一。EcoSiC^TM中的“E”代表地球、元器件，“E”的蓝色底色是代表罗姆对未来技术的创新，还有环保的承诺；SiC中“i”字母上一点是六角形，而不是圆形，这是因为当前主流碳化硅器件都是6H SiC，于是采用六边形结构，“罗姆希望EcoSiC^TM可以引领碳化硅朝着创新和更环保、更生态的路线发展。”

EcoSiC™结合了”Eco”和”SiC”两个术语，象征着生态系统和卓越技术之间的联系，也突出了罗姆对提供先进和可持续解决方案的承诺

碳化硅目前最大的应用市场是电动车，其动力系统主要组成部分包括OBC、DC-DC、驱动单元（牵引逆变器、电机等）。每家功率器件厂商的具体做法不一样，有采用三合一模组的，也有单独做电控或者多合一产品。

苏勇锦看来，电动驱动部分主要靠功率器件（IGBT、碳化硅）来驱动，通常情况下需要三相。“因为电机有三相，如果再细分有六个桥臂。做电控时大部分厂家可能会把其中一个桥臂两个MOSFET放在一个模块中，形成二合一模块。还有一些厂商把六个MOSFET都放在同一个模块，形成六合一模块。”

为车载牵引逆变器而生的SiC功率模块

在本次展会上，罗姆展示了其今年6月份推出的，适用于车载牵引逆变器的新型二合一SiC功率模块“TRCDRIVE pack™”。该系列产品为小型封装，内置第4代SiC MOSFET，实现了业界超高功率密度，助力xEV逆变器小型化发展。

2024 PCIM Asia上，罗姆展出的TRCDRIVE pack™ SiC功率模组（《电子工程专辑》摄）

近年来，在致力于实现无碳社会的进程中，汽车的电动化发展迅速，这促进了更高效、更小型、更轻量的电动动力总成系统的开发。从电动车的发展路程来看，一开始电动汽车动力部分以硅基器件为主，随着近年来SiC工艺的不断更新迭代，器件性价比不断提升，SiC器件从一开始只能用在旗舰车型上，到最近两三年很多中低端、低压平台都开始使用。

从SiC功率器件在车载应用中的市场规模来看，牵引逆变器的市场规模最大。换句话说，目前整个车载SiC的主战场就是牵引逆变器。而进一步按混合模块中的二极管、分立二极管、分立晶体管以及全SiC模块来区分，可以看到，全SiC模块整体占比最大。

另一方面，作为关键器件备受关注的SiC功率器件却面临着难以同时减小尺寸并降低损耗的难题。

为了解决动力系统中的这一课题，罗姆这款面向300kW以下的xEV（电动汽车）用牵引逆变器的二合一SiC塑封模块“TRCDRIVE pack™”应运而生。SiC模块往往分为两种形态，一是灌胶，二是塑封，TRCDRIVE pack™就属于后者。

据介绍，该模块共有4款产品，其中，涉及750V 2个型号为BSTxxxD08P4A1x4，针对400V的低压平台；涉及1,200V 2个型号为BSTxxxD12P4A1x1，针对800V高压平台。两种耐压值还针对不同功率段推出了两种尺寸，普通轿车采用小模块，大型车如说超跑、SUV等输出功率更大的，则用大模块。

TRCDRIVE pack™系列产品拥有四大优势，包括小型化、高功率密度、减少安装工时，以及可实现大量生产。 

具体来看，在小型化方面，该产品采用罗姆主电流和控制信号分离的自有结构，更大程度地扩大了散热面积，从而实现紧凑型封装。相比以往的封装技术，TRCDRIVE pack™尺寸减小28%，底部散热板采用Ag sinter（银烧结工艺），热阻更低，出流能力和整机散热性能更好。

在高功率密度方面，搭载了低导通电阻的第4代SiC MOSFET，用了3D Cu Clip（铜夹钳）布线，支持更大电流。相比普通SiC封装型模块（300A电流输出），实现了1.5倍的业界超高功率密度（450A电流输出），非常有助于xEV逆变器的小型化。功率端子也做了相应优化，NPN连接方式与普通电源端子不一样，客户实际应用时能把整机做到更高功率密度。树脂则选用了耐高温、高性能材料，帮助客户解决高温问题。

减少安装工时方面，模块顶部配备“press fit pin”引脚，无需焊接电路板，控制板可以从上面压下来，可有效减少安装工时。同时，通过尽可能扩大主电流布线中的电流路径和采用双层布线结构，降低了电感值（5.7nH），从而有助于降低开关时的损耗。

另外在量产方面，据苏勇锦透露，该产品虽然是模块产品，但塑封相对灌胶模块来说生产工艺更简单，从成本控制和批量生产的角度来说，也有很大的优势。目前罗姆已经确立了类似于分立产品的量产体系，与普通SiC灌胶模块相比，产能提高了约30倍。

据悉，TRCDRIVE pack™新产品已于2024年6月开始暂以月产10万个的规模投入量产。前道工序的生产基地为ROHM Apollo Co., Ltd.（日本福冈县）和蓝碧石半导体宫崎工厂（日本宫崎县），后道工序的生产基地为ROHM总部工厂（日本京都府）。

在该系列产品的基础上，罗姆还计划在2024年内开发出封装尺寸和安装模式不同的共12款碳化硅模块产品。此外，目前，罗姆正在开发配有散热器的六合一模块，并将于2024年第二季度开始供应样品，相比以往的SiC壳体型模块，功率密度将达1.3倍，将进一步加快符合规格要求的牵引逆变器设计速度和产品阵容扩展。

产能无忧

作为全球头部半导体制造商之一，也是汽车功率芯片大厂，罗姆可提供从晶圆生产到制造工艺、封装和品质管理方法的一贯制生产体系。近年来其更是将业务发展重点已然转到了碳化硅功率半导体领域。

“其实罗姆在碳化硅产业算得上是先行者，早在2009年就收购了德国的碳化硅晶圆厂SiCrystal，近两年还开始发力氮化镓产品。” 罗姆半导体(上海)有限公司市场宣传课高级经理张嘉煜说道。

罗姆半导体(上海)有限公司市场宣传课高级经理 张嘉煜（《电子工程专辑》摄）

资料显示，罗姆目前在日本拥有四个基于碳化硅的功率半导体生产基地，分别是位于福冈县的阿波罗筑后工厂的现有厂房和新厂房以及位于宫崎县的第一和第二工厂，目前正不断扩增以碳化硅功率半导体为中心的半导体产能。

除此之外，罗姆还将展示生产工艺向8英寸SiC晶圆工艺的转换。据张嘉煜透露，预计在2025年罗姆会推出第5代碳化硅MOSFET，8英寸产品也会于2024年在日本工厂开始生产，2025年实现供货。

面对巨大潜力的SiC市场，罗姆的SiC业务目标是到2025财年预计达到1,100亿日元（约合7.6亿美元），2027财年预计达到2,200亿日元（约合15.2亿美元）。并且到2027财年，罗姆要将实现超600亿日元（约合413.7百万美元）的SiC功率模块业务的销售目标。另在市场拓展方面，预计到2027财年，欧洲和中国市场将占罗姆SiC全球市场的七成。

2024 PCIM Asia上，罗姆展出的8英寸SiC裸晶圆和SiC MOSFET晶圆（《电子工程专辑》摄）

在中国，罗姆凭借丰富的车载实绩缔结并扩大合作伙伴关系：2022年11月，与基本半导体缔结车载碳化硅功率器件战略合作伙伴关系；2022年7月，与芯驰科技缔结车载领域的解决方案开发合作伙伴关系，并于2024年3月共同开发配备了PMIC和SerDes IC的车载SoC参考设计；2021年10月，与正海集团签署协议，成立SiC功率模块合资公司；2021年10月，罗姆被认证为SiC功率器件解决方案的首选供应商，产品被应用于逆变器；2021年8月，吉利逆变器选用ROHM的SiC器件，并签署战略合作协议；2020年6月，与臻驱科技（上海）建立联合实验室，用于搭载SiC的车载逆变器的开发。

为xEV提供整套解决方案

苏勇锦表示，罗姆一直注重电动汽车的应用，除了拥有先进的碳化硅、半导体以外，还包括用于驱动碳化硅隔离栅极驱动IC、电源管理IC，以及周边的电流、电流检测的电阻、二三极管等等。“我们可以提供一整套解决方案。用好功率器件——特别是碳化硅，周边的配套也很重要，罗姆在这块做了很多产品研究，可以给客户提供优秀的解决方案。”

大家关注的功率器件部分，由于它是用来驱动SiC MOSFET的，所以在电控当中非常重要。罗姆拥有独创的无磁芯变压器隔离技术，同时拥有包括内部芯片保护功能、温度监控、电源内置、保护电路等在内的较丰富产品线。

据介绍，从2016年开始，罗姆成为全球首家量产集电源和温度控制于同一封装的磁隔离栅极驱动器的公司。到目前，罗姆在电动汽车的电控上的磁隔离份额已经达到全球第一的份额。未来随着电动车对高可靠性、高性能的需求越来越多，预计罗姆在这个市场的份额将持续增长。