“三高”SiC，新能源汽車應(yīng)用將現(xiàn)高增長

在2018年11月6至8日于上海舉辦中國汽車工程學(xué)會年會暨展覽會(SAECCE)上，全球知名半導(dǎo)體制造商羅姆(總部位于日本京都)攜多款新產(chǎn)品亮相。在同期舉辦的“新能源汽車及混合動力技術(shù)分論壇”上，羅姆半導(dǎo)體(北京)有限公司設(shè)計中心所長水原德健先生發(fā)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(yè)應(yīng)用的優(yōu)勢、趨勢等話題接受了汽車制動網(wǎng)的專訪。

　　水原德健在“中國汽車工程學(xué)會年會暨展覽會(SAECCE)”現(xiàn)場發(fā)表演講

如業(yè)內(nèi)人士所知，時至今日，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展經(jīng)歷了三個階段，第一代半導(dǎo)體材料以硅(Si)為代表;第二代半導(dǎo)體材料砷化鎵(GaAs)也已經(jīng)廣泛應(yīng)用;第三代半導(dǎo)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(chǎn)品，第三代半導(dǎo)體材料具有高擊穿電場、高飽和電子速度、高熱導(dǎo)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(dǎo)體材料SiC的“三高”

據(jù)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(yōu)勢。在耐高溫方面，SiC材料可達(dá)到250℃，比Si高出50℃。采用SiC材料，器件的散熱板可以設(shè)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(dá)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(biāo)幾乎能達(dá)到Si的10倍。在滿足高頻響應(yīng)方面，SiC材料的開關(guān)速度更快，使得器件內(nèi)的電阻、電感、線圈能以更小、更緊湊的尺寸滿足系統(tǒng)需求。其中，線圈的尺寸可縮小至原先的1/10。

↑在滿足同等性能特性的需求時，采用具有高溫、高壓、高頻優(yōu)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(yōu)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(yīng)用所需。就目前SiC材料發(fā)展而言，在新能源汽車中的主要應(yīng)用包括：車載充電器、DC/DC電壓轉(zhuǎn)換器、主機逆變器以及無線充電。他預(yù)計，采用SiC的功率器件有望在2022年出現(xiàn)爆發(fā)式增長。同時，車載充電器采用SiC材料，可實現(xiàn)更高的充電效率、更長的續(xù)駛里程。

活動現(xiàn)場，羅姆展示了其與Formula-E參賽隊-文圖里(Venturi)車隊合作的技術(shù)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(qū)動主逆變器上的應(yīng)用演進(jìn)，也驗證了SiC元器件的性能優(yōu)勢。例如，同為200kW功率，第三賽季相比第二賽季傳統(tǒng)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(yīng)用了全SiC模塊的主逆變器(220KW)相比第二賽季，實現(xiàn)減重6kg、體積縮小43%。

　　現(xiàn)場展示的Formula-E宣傳海報

SiC材料新能源汽車應(yīng)用增勢驚人

權(quán)威機構(gòu)統(tǒng)計數(shù)據(jù)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(xì)介紹了羅姆SiC的發(fā)展歷史。他說，早在2002年，公司就開始進(jìn)行SiC材料的基礎(chǔ)研發(fā)。2009年收購了SiC晶圓供應(yīng)商德國SiCrystal公司， 2010年，完善并確立了羅姆在SiC器件領(lǐng)域一條龍的生產(chǎn)體系，羅姆第一代肖特基勢壘二極管量產(chǎn)，是當(dāng)時日本首家、全球第4家具備該量產(chǎn)能力的半導(dǎo)體廠商。同年12月，羅姆作為全球第一家公司量產(chǎn)了SiC MOSFET。2012年，羅姆SiC全模塊產(chǎn)品開始量產(chǎn)。2015年，采用創(chuàng)新的溝槽構(gòu)造的第二代SiC MOSFET投產(chǎn)。相比第一代采用平面構(gòu)造的產(chǎn)品，第二代產(chǎn)品芯片尺寸更小，并通過導(dǎo)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(chǎn)。

談到SiC全球應(yīng)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(yīng)用于這四大市場：風(fēng)電、太陽能等綠色能源領(lǐng)域;服務(wù)器等信息和通信(ICT)行業(yè);新能源汽車;工業(yè)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(yīng)用還未普及開。不過，展望未來，新能源汽車應(yīng)用增長是最快的。據(jù)行業(yè)最新統(tǒng)計和預(yù)測，SiC材料全球市場規(guī)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(yù)測甚至能達(dá)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(chǎn)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(dá)到30%。

　　羅姆半導(dǎo)體(北京)有限公司設(shè)計中心所長 水原德健

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