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          探秘羅姆布局SiC功率器件的“宏圖大業”

          《名企發布會動態》
          2019-07-15 16:45 來源:電源網原創 編輯:Janet

          作為半導體,SiC功率器件具有極其優秀的性能:更高耐壓、更低導通電阻,可在更高溫條件下更高速地工作。

          為了促進解決節能環保的全球性課題,削減功率轉換時產生的能耗是當務之急。而通過將SiC應用到功率元器件上,可以實現以往Si功率元器件無法實現的低損耗功率轉換。根據拓墣產業研究院估計,2018年全球SiC基板產值將達1.8億美元。日前,羅姆半導體(北京)有限公司技術中心所長水原德健分享他對SiC功率元器件市場動向的見解,以及羅姆SiC產品在汽車應用領域中的布局。

          探秘羅姆布局SiC功率器件的“宏圖大業”

          羅姆半導體(北京)有限公司技術中心所長水原德健先生現場演講

          相較于硅晶圓(Si),第三代半導體材料SiC除了耐高電壓的特色外,還具備耐高溫、易冷卻、的優勢,更低的阻抗、更高頻率的運行可使芯片面積大幅減少,并能簡化周邊電路的設計,達到減少模組、系統周邊的零組件及冷卻系統的體積。“以5kW LLC DC/DC轉換器為例,使用SiC MOS器件比Si IGBT器件重量減少87%,體積減少84%,芯片面積約為原來的1/4,同時損耗降低63%,頻率達到160kHz,為原來的6.4倍。”水原德健先生補充說,“與Si-IGBT/Si-MOS的開關特性相比,SiC-MOS開關OFF時的損耗大幅減少,體二極管的恢復特性特別好。”

          除了輕化車輛設計之外,SiC的低導通電阻及低切換損失的特性,也能大幅降低車輛運轉時的能源轉換損失,這對于電動汽車續航力的提升有相當大的幫助。隨著行駛里程延長,縮短充電時間,以及更高的電池容量成為電動汽車市場的大趨勢,預計2021年SiC器件將在OBC、DC/DC、逆變器、無線充電,以及用于快速充電的大功率DC/DC上全面應用。電動汽車的發展將與SiC功率組件的技術與市場發展密不可分。新應用的出現也將推動碳化硅電力電子器件市場的發展。據《東洋經濟》資料顯示,到2025年SiC器件的市場規模將達到約35億美金,比現在多7倍。

          探秘羅姆布局SiC功率器件的“宏圖大業”

          6寸SiC溝槽型MOSFET晶圓展示

          在SiC-MOSFET不斷發展的進程中,羅姆于全球首家實現溝槽結構SiC-MOSFET量產,其導通電阻與平面型SiC-MOSFET相比降低約50%,同時輸入電容降低約35%,有效地提高了開關性能。基于溝槽結構SiC-MOSFET的優勢,羅姆又開發出采用該器件的“全SiC”功率模塊。模塊內部電路為二合一(2in1)結構,采用SiC-MOSFET及SiC-SBD,額定電壓為1200V,額定電流達到180A。與同等水平額定電流的Si-IGBT模塊產品相比,其優勢非常明顯。即使與使用平面型SiC-MOSFET的“全SiC”模塊相比,其開關損耗也降低約42%。羅姆全SiC功率模塊正以其優秀的特性,助力羅姆將產品從家電、光伏儲能、數據中心/服務器/UPS、智能電網/充電站、FA/驅動電源、xEV領域拓展至鐵路、風電領域等更高功率的應用中。

          探秘羅姆布局SiC功率器件的“宏圖大業”

          1200V 400A/600A 全SiC功率模塊展示

          關于為什么在Formula E賽季提供技術支持?

          如今,電動汽車除了電池和電機之外,逆變器已經成為產業發展的決定因素,因為逆變器負擔著控制來自電池的電力并傳送至電機的重要作用。在羅姆看來,逆變器面臨著兩大難題:高效化和小型化。水原德健先生表示,通過SiC可提高3%-5%的逆變器效率,能夠降低電池成本及容量,并且SiC MOS的電池容量更大,可以很容易率先引入高檔車中。

          Formula E第四賽季羅姆為文圖瑞車隊提供的“全SiC”功率模塊就是一個生動的例子。羅姆希望通過為文圖瑞Formula E賽車提供技術支持,不斷精進“全SiC”功率模塊的制造能力,推進功率半導體的技術革新,為節能環保事業貢獻自己的力量。

          水原德健先生進一步解釋說,羅姆曾在2016年Formula E的第三賽季為文圖瑞里電動方程式賽車的主逆變器提供SiC器件——SiC SBD。而到了2017年第四賽季,又提供了SiC MOSFET,賽車實現更高性能。后者較前者重量降低4kg,尺寸減小24%。其核心價值,用車隊成員Edoardo Mortara的話來說是:“我們期望更高速的馬達能擁有很高效的全局系統封裝。與此同時,我們也希望能減小體積。減小體積之后,我們就能把逆變器盡可能放到車內最低的位置。更低的位置這一點還是很重要的,這樣就能更快了。”

          羅姆如何布局SiC功率器件大市場?

          由于SiC的人工制造過程極其困難,導致SiC功率元器件如何量產一直是業界的難題。羅姆早在2000年就開始SiC的研發,并且自2009年收購生產SiC晶圓制造商德國SiCrystal公司以來,便成為了全球屈指可數的進行碳化硅功率器件一條龍生產的廠家。從2010年在日本率先開始了SiC SBD量產,全球第一SiC MOS量產,2012年全SiC模塊全球第一量產,到2015年全球首發溝槽型SiC MOS量產,羅姆一路做好前瞻布局,取得了不俗的成績。

          碳化硅生產供應商羅姆,擁有完全垂直整合的制造工藝,從SiC拉晶,晶圓制造到封裝組裝均可實現一條龍生產機制。現有SiC分立器件產品陣容擁有650V,1200V,1700V三種電壓,以及全SiC功率模組。2020年5G將邁入商用,加之汽車正走向電動化與智能化,預計未來五年SiC基板在通過車廠驗證與5G商用的帶動下,將進入高速成長期。近年來,羅姆SiC功率元件產能持續擴張,也為電動汽車普及帶來的巨大市場做好了準備。

          從羅姆銷售額的構成比例來看,目前,在日系數碼家電領域占比逐年縮小,在其他日系消費電子、海外消費電子所占比例基本持平,而汽車電子、工業設備市場比例增長明顯,約從2004年的16%,上升到2020年的51%。羅姆2019年3月公布2018財年業績銷售額達到3,989億日元。

          水原德健先生表示,羅姆將不斷擴充SiC元器件的量產產品陣容,并積極致力于新產品的開發。未來將重點發力在汽車電子市場、工業設備市場及海外市場,持續提高市場份額,重點產品為電源類SiC/柵極驅動器/IPM,模擬類電源IC/驅動IC,標準產品類通過IC/分立元器件,并且將進一步強化制造,旨在建立能夠長期穩定供貨和對應需求變動的生產體制。羅姆也將憑借自己在材料、元器件、解決方案的優勢,保持SiC MOSFET市場份額的領先。

          2008年,為了推動汽車用逆變器的小型化,羅姆開始開發驅動SiC的磁隔離柵極驅動器,如今已在車載磁隔離柵極驅動器IC市場取得80%以上的份額,未來隨著EV車小型化要求的不斷提高,磁隔離式的比例也將快速上升,羅姆會力爭保持絕對性的市場份額,擴大銷售額。在標準產品的布局戰略,羅姆將以不斷發展的車載市場為軸心,憑借供給能力和可靠性,在全球確立并強化通用元器件不可動搖的市場地位。

          為了帶動第三代半導體材料碳化硅(SiC)的發展,提高SiC MOSFET在實際工程中的易用性,進一步擴大在能源(太陽能、蓄電、EV充電樁、下一代電網),電動車輛xEV(OBC、主機逆變器、DCDC),FA、工業用設備,ICT(服務器、數據中心)領域的市場份額,羅姆正通過建立自有工廠和封測代工,提高內外部產能,應對需求的變動及風險。未來在以SiC為核心的寬禁帶領域,相信羅姆一定會延續其在系統IC產業的競爭力,在世界電子行業中實現其“宏圖大業”。

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