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ROHM 罗姆半导体

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“三高”SiC,新能源汽车应用将现高增长

2018-12-12
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(文章转自汽车制动网)


在2018年11月6至8日于上海举办中国汽车工程学会年会暨展览会(SAECCE)上,全球知名半导体制造商罗姆(总部位于日本京都)携多款新产品亮相。


在同期举办的“新能源汽车及混合动力技术分论坛”上,罗姆半导体(北京)有限公司设计中心所长水原德健先生发表了“面向新能源汽车的SiC(碳化硅)解决方案”的主题演讲。会后,水原德健还就SiC在汽车行业应用的优势、趋势等话题接受了汽车制动网的专访。


水原德健在“中国汽车工程学会年会暨展览会(SAECCE)”现场发表演讲


如业内人士所知,时至今日,半导体产业发展经历了三个阶段,第一代半导体材料以硅(Si)为代表;第二代半导体材料砷化镓(GaAs)也已经广泛应用;第三代半导体材料则以氮化镓(GaN)和碳化硅(SiC)、氧化锌(ZnO)等宽禁带为代表。


相较前两代产品,第三代半导体材料具有高击穿电场、高饱和电子速度、高热导率、高电子密度、高迁移率等特点,非常适用于制作高温、高频、抗辐射及大功率器件。


第三代半导体材料SiC的“三高”


据水原德健介绍,相比Si材料,第三代的SiC具有“三高(高温、高压、高频)”等综合优势。在耐高温方面,SiC材料可达到250℃,比Si高出50℃。采用SiC材料,器件的散热板可以设计的小一些,外观尺寸更紧凑(轻量化)。在耐高压方面,Si材料的耐压瓶颈在900V左右,虽然也能在1200V,甚至1500V下工作,但性能特性会有所下降,如果要达到1700V或以上,则必须要使用第三代的SiC材料。因为SiC材料击穿场强(Breakdown Electriic Field)指标几乎能达到Si的10倍。在满足高频响应方面,SiC材料的开关速度更快,使得器件内的电阻、电感、线圈能以更小、更紧凑的尺寸满足系统需求。其中,线圈的尺寸可缩小至原先的1/10。


在满足同等性能特性的需求时,采用具有高温、高压、高频优势的SiC材料制作的功率器件,可以比Si更薄、更轻、更小巧。


水原德健表示,在满足同等性能特性的需求时,采用具有高温、高压、高频优势的SiC材料制作的功率器件,可以比Si更薄、更轻、更小巧。无疑,SiC材料“三高”特性正好满足了新能源汽车的应用所需。就目前SiC材料发展而言,在新能源汽车中的主要应用包括:车载充电器、DC/DC电压转换器、主机逆变器以及无线充电。他预计,采用SiC的功率器件有望在2022年出现爆发式增长。同时,车载充电器采用SiC材料,可实现更高的充电效率、更长的续驶里程。


活动现场,罗姆展示了其与Formula-E参赛队-文图里(Venturi)车队合作的技术成果示意图。水原德健说,双方的合作起步很早,从2016年的第三赛季就开始了。4年来,在Formula-E赛车电力驱动主逆变器上的应用演进,也验证了SiC元器件的性能优势。例如,同为200kW功率,第三赛季相比第二赛季传统的逆变器,采用SiC材料后总量减轻了2kg、尺寸缩小了19%。而第四赛季应用了全SiC模块的主逆变器(220KW)相比第二赛季,实现减重6kg、体积缩小43%。


图/现场展示的Formula-E宣传海报


SiC材料新能源汽车应用增势惊人


权威机构统计数据显示,2017年,罗姆位列SiC市场前三甲,而且与排名前两位的市场份额非常接近。水原德健自豪地说,就最新的数据来看,罗姆已经是第二名了。

采访中,水原德健详细介绍了罗姆SiC的发展历史。他说,早在2002年,公司就开始进行SiC材料的基础研发。2009年收购了SiC晶圆供应商德国SiCrystal公司, 2010年,完善并确立了罗姆在SiC器件领域一条龙的生产体系,罗姆第一代肖特基势垒二极管量产,是当时日本首家、全球第4家具备该量产能力的半导体厂商。同年12月,罗姆作为全球第一家公司量产了SiC MOSFET。2012年,罗姆SiC全模块产品开始量产。2015年,采用创新的沟槽构造的第二代SiC MOSFET投产。相比第一代采用平面构造的产品,第二代产品芯片尺寸更小,并通过导通电阻的降低,使得器件具备更大的通过电流(功率)。最新的第三代SiC功率器件也于2017年11月开始量产。


谈到SiC全球应用概况,水原德健说,2013年起SiC材料开始逐步被使用。目前,SiC材料主要应用于这四大市场:风电、太阳能等绿色能源领域;服务器等信息和通信(ICT)行业;新能源汽车;工业控制。他坦言,受较高成本的限制,除了个别车型外,目前SiC材料在新能源汽车上的应用还未普及开。不过,展望未来,新能源汽车应用增长是最快的。据行业最新统计和预测,SiC材料全球市场规模将从2017年的4亿美元快速增长到2025年的16亿美元,乐观的预测甚至能达到34亿美元。水原德健透露,为了把握SiC材料快速增长的机遇,罗姆计划分批投入共计600亿日币,至2025年时将SiC的产能提升至2017年的16倍。力争到2025年,罗姆能在全球SiC市场的份额达到30%。



罗姆半导体(北京)有限公司设计中心所长 水原德健



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