碳化硅“第一大客戶”電動汽車，牽引逆變器需要什么樣的功率模塊？

在功率半導體領域，近年來最熱的點毫無疑問是碳化硅（SiC），其材料特性決定了它比硅（Si）器件更適合大功率、高壓和高頻應用。從物理特性看， SiC的禁帶寬度更寬，大約是Si的3倍左右；擊穿場更強，大約是Si的10倍，這使得SiC材料的耐壓特性更好，更適合做高壓應用。其次，SiC的電子飽和速度更高，因而開關速度更快，所以能做到更節能、更小型化。

總體上，SiC適合應用在電動汽車、工業設備和可再生能源系統等高性能應用賽道，而這些恰恰是當前極具市場潛力的賽道。

電動汽車是碳化硅應用第一大戶

根據市場研究公司Yole Group發布的數據，預計到2029年，SiC功率器件市場規模將達到100億美元，同時寬禁帶技術預計將占據全球功率電子市場35%以上的份額，其中SiC占28.6%。隨著SiC在800V電動汽車中的應用，預計未來5年汽車行業將占設備市場的近80%。

羅姆半導體(上海有限公司深圳分公司 技術中心高級經理 蘇勇錦（《電子工程專輯》攝）

“根據羅姆的預測，到2025財年SiC潛在市場規模有望超2,000億日元（約合12.43億美元），2028財年將達到10,000億日元（約合62.17億美元）。”8月28日，在2024深圳國際電力元件、可再生能源管理展覽會（以下簡稱PCIM Asia）上，羅姆半導體(上海)有限公司深圳分公司技術中心高級經理 蘇勇錦在媒體交流會上對《電子工程專輯》等媒體表示，根據第三方機構Yole Group報告，電動汽車中牽引逆變器對功率的要求最高，其中用到的碳化硅、IGBT晶圓數也最大，如果對電動車的功率器件進行細分，可以看到全碳化硅模塊占比高達90%以上，“羅姆也看到了這個市場需求點。”

目前，羅姆已經拿到的pipeline（訂單儲備）達到了1萬億日幣，基于市場的需求、產品競爭力和已經獲得的具體訂單數反推，“銷售業務目標是2025財年，碳化硅板塊做到1,100億日元（約合7.5億美元），2027財年達到2,200億日元（約合15億美元）。目前統計到2027年量產的所有項目，羅姆已經在全球范圍內獲得130家以上的Design-win。包括基本半導體、芯馳科技、正海集團、臻驅科技，以及吉利等皆與羅姆建立合作。” 蘇勇錦說道。

大力布局碳化硅領域

本次展會，羅姆聚焦SiC和氮化鎵（GaN）等寬禁帶半導體，展示了其面向工業設備和汽車領域的豐富產品陣容及解決方案。其中，先進的第4代SiC MOSFET技術實現了業界領先的低導通電阻，充分地減少了開關損耗，并支持15V和18V的柵極-源極電壓，有助于在包括汽車逆變器和各種開關電源在內的各種應用中實現顯著的小型化和低功耗。

羅姆半導體在2024 PCIM Asia上的EcoSiC™產品系列展示（《電子工程專輯》攝）

蘇勇錦介紹了羅姆在碳化硅功率元器件和模塊的開發領域推出的EcoSiC™品牌。前半部分Eco有“環保、生態”的含義，后半部分的SiC是羅姆重點發展的戰略產品之一。EcoSiC^TM中的“E”代表地球、元器件，“E”的藍色底色是代表羅姆對未來技術的創新，還有環保的承諾；SiC中“i”字母上一點是六角形，而不是圓形，這是因為當前主流碳化硅器件都是6H SiC，于是采用六邊形結構，“羅姆希望EcoSiC^TM可以引領碳化硅朝著創新和更環保、更生態的路線發展。”

EcoSiC™結合了”Eco”和”SiC”兩個術語，象征著生態系統和卓越技術之間的聯系，也突出了羅姆對提供先進和可持續解決方案的承諾

碳化硅目前最大的應用市場是電動車，其動力系統主要組成部分包括OBC、DC-DC、驅動單元（牽引逆變器、電機等）。每家功率器件廠商的具體做法不一樣，有采用三合一模組的，也有單獨做電控或者多合一產品。

蘇勇錦看來，電動驅動部分主要靠功率器件（IGBT、碳化硅）來驅動，通常情況下需要三相。“因為電機有三相，如果再細分有六個橋臂。做電控時大部分廠家可能會把其中一個橋臂兩個MOSFET放在一個模塊中，形成二合一模塊。還有一些廠商把六個MOSFET都放在同一個模塊，形成六合一模塊。”

為車載牽引逆變器而生的SiC功率模塊

在本次展會上，羅姆展示了其今年6月份推出的，適用于車載牽引逆變器的新型二合一SiC功率模塊“TRCDRIVE pack™”。該系列產品為小型封裝，內置第4代SiC MOSFET，實現了業界超高功率密度，助力xEV逆變器小型化發展。

2024 PCIM Asia上，羅姆展出的TRCDRIVE pack™ SiC功率模組（《電子工程專輯》攝）

近年來，在致力于實現無碳社會的進程中，汽車的電動化發展迅速，這促進了更高效、更小型、更輕量的電動動力總成系統的開發。從電動車的發展路程來看，一開始電動汽車動力部分以硅基器件為主，隨著近年來SiC工藝的不斷更新迭代，器件性價比不斷提升，SiC器件從一開始只能用在旗艦車型上，到最近兩三年很多中低端、低壓平臺都開始使用。

從SiC功率器件在車載應用中的市場規模來看，牽引逆變器的市場規模最大。換句話說，目前整個車載SiC的主戰場就是牽引逆變器。而進一步按混合模塊中的二極管、分立二極管、分立晶體管以及全SiC模塊來區分，可以看到，全SiC模塊整體占比最大。

另一方面，作為關鍵器件備受關注的SiC功率器件卻面臨著難以同時減小尺寸并降低損耗的難題。

為了解決動力系統中的這一課題，羅姆這款面向300kW以下的xEV（電動汽車）用牽引逆變器的二合一SiC塑封模塊“TRCDRIVE pack™”應運而生。SiC模塊往往分為兩種形態，一是灌膠，二是塑封，TRCDRIVE pack™就屬于后者。

據介紹，該模塊共有4款產品，其中，涉及750V 2個型號為BSTxxxD08P4A1x4，針對400V的低壓平臺；涉及1,200V 2個型號為BSTxxxD12P4A1x1，針對800V高壓平臺。兩種耐壓值還針對不同功率段推出了兩種尺寸，普通轎車采用小模塊，大型車如說超跑、SUV等輸出功率更大的，則用大模塊。

TRCDRIVE pack™系列產品擁有四大優勢，包括小型化、高功率密度、減少安裝工時，以及可實現大量生產。 

具體來看，在小型化方面，該產品采用羅姆主電流和控制信號分離的自有結構，更大程度地擴大了散熱面積，從而實現緊湊型封裝。相比以往的封裝技術，TRCDRIVE pack™尺寸減小28%，底部散熱板采用Ag sinter（銀燒結工藝），熱阻更低，出流能力和整機散熱性能更好。

在高功率密度方面，搭載了低導通電阻的第4代SiC MOSFET，用了3D Cu Clip（銅夾鉗）布線，支持更大電流。相比普通SiC封裝型模塊（300A電流輸出），實現了1.5倍的業界超高功率密度（450A電流輸出），非常有助于xEV逆變器的小型化。功率端子也做了相應優化，NPN連接方式與普通電源端子不一樣，客戶實際應用時能把整機做到更高功率密度。樹脂則選用了耐高溫、高性能材料，幫助客戶解決高溫問題。

減少安裝工時方面，模塊頂部配備“press fit pin”引腳，無需焊接電路板，控制板可以從上面壓下來，可有效減少安裝工時。同時，通過盡可能擴大主電流布線中的電流路徑和采用雙層布線結構，降低了電感值（5.7nH），從而有助于降低開關時的損耗。

另外在量產方面，據蘇勇錦透露，該產品雖然是模塊產品，但塑封相對灌膠模塊來說生產工藝更簡單，從成本控制和批量生產的角度來說，也有很大的優勢。目前羅姆已經確立了類似于分立產品的量產體系，與普通SiC灌膠模塊相比，產能提高了約30倍。

據悉，TRCDRIVE pack™新產品已于2024年6月開始暫以月產10萬個的規模投入量產。前道工序的生產基地為ROHM Apollo Co., Ltd.（日本福岡縣）和藍碧石半導體宮崎工廠（日本宮崎縣），后道工序的生產基地為ROHM總部工廠（日本京都府）。

在該系列產品的基礎上，羅姆還計劃在2024年內開發出封裝尺寸和安裝模式不同的共12款碳化硅模塊產品。此外，目前，羅姆正在開發配有散熱器的六合一模塊，并將于2024年第二季度開始供應樣品，相比以往的SiC殼體型模塊，功率密度將達1.3倍，將進一步加快符合規格要求的牽引逆變器設計速度和產品陣容擴展。

產能無憂

作為全球頭部半導體制造商之一，也是汽車功率芯片大廠，羅姆可提供從晶圓生產到制造工藝、封裝和品質管理方法的一貫制生產體系。近年來其更是將業務發展重點已然轉到了碳化硅功率半導體領域。

“其實羅姆在碳化硅產業算得上是先行者，早在2009年就收購了德國的碳化硅晶圓廠SiCrystal，近兩年還開始發力氮化鎵產品。” 羅姆半導體(上海)有限公司市場宣傳課高級經理張嘉煜說道。

羅姆半導體(上海)有限公司市場宣傳課高級經理 張嘉煜（《電子工程專輯》攝）

資料顯示，羅姆目前在日本擁有四個基于碳化硅的功率半導體生產基地，分別是位于福岡縣的阿波羅筑后工廠的現有廠房和新廠房以及位于宮崎縣的第一和第二工廠，目前正不斷擴增以碳化硅功率半導體為中心的半導體產能。

除此之外，羅姆還將展示生產工藝向8英寸SiC晶圓工藝的轉換。據張嘉煜透露，預計在2025年羅姆會推出第5代碳化硅MOSFET，8英寸產品也會于2024年在日本工廠開始生產，2025年實現供貨。

面對巨大潛力的SiC市場，羅姆的SiC業務目標是到2025財年預計達到1,100億日元（約合7.6億美元），2027財年預計達到2,200億日元（約合15.2億美元）。并且到2027財年，羅姆要將實現超600億日元（約合413.7百萬美元）的SiC功率模塊業務的銷售目標。另在市場拓展方面，預計到2027財年，歐洲和中國市場將占羅姆SiC全球市場的七成。

2024 PCIM Asia上，羅姆展出的8英寸SiC裸晶圓和SiC MOSFET晶圓（《電子工程專輯》攝）

在中國，羅姆憑借豐富的車載實績締結并擴大合作伙伴關系：2022年11月，與基本半導體締結車載碳化硅功率器件戰略合作伙伴關系；2022年7月，與芯馳科技締結車載領域的解決方案開發合作伙伴關系，并于2024年3月共同開發配備了PMIC和SerDes IC的車載SoC參考設計；2021年10月，與正海集團簽署協議，成立SiC功率模塊合資公司；2021年10月，羅姆被認證為SiC功率器件解決方案的首選供應商，產品被應用于逆變器；2021年8月，吉利逆變器選用ROHM的SiC器件，并簽署戰略合作協議；2020年6月，與臻驅科技（上海）建立聯合實驗室，用于搭載SiC的車載逆變器的開發。

為xEV提供整套解決方案

蘇勇錦表示，羅姆一直注重電動汽車的應用，除了擁有先進的碳化硅、半導體以外，還包括用于驅動碳化硅隔離柵極驅動IC、電源管理IC，以及周邊的電流、電流檢測的電阻、二三極管等等。“我們可以提供一整套解決方案。用好功率器件——特別是碳化硅，周邊的配套也很重要，羅姆在這塊做了很多產品研究，可以給客戶提供優秀的解決方案。”

大家關注的功率器件部分，由于它是用來驅動SiC MOSFET的，所以在電控當中非常重要。羅姆擁有獨創的無磁芯變壓器隔離技術，同時擁有包括內部芯片保護功能、溫度監控、電源內置、保護電路等在內的較豐富產品線。

據介紹，從2016年開始，羅姆成為全球首家量產集電源和溫度控制于同一封裝的磁隔離柵極驅動器的公司。到目前，羅姆在電動汽車的電控上的磁隔離份額已經達到全球第一的份額。未來隨著電動車對高可靠性、高性能的需求越來越多，預計羅姆在這個市場的份額將持續增長。