
隨著新能源汽車、可再生能源、光伏發電等應用的熱潮席卷全球,人們開始不斷追求更高的系統效率和性能,功率半導體市場也迎來了前所未有的增速。據Yole Group 2023年功率碳化硅報告指出,在電動汽車應用產品中,牽引逆變器的市場規模最大,功率要求最高,里面采用的碳化硅、IGBT晶圓數也最大。而將電動汽車應用中各種碳化硅元器件的市場規模進行細分,可以看到同樣是全碳化硅的模塊占比達到90%以上,這說明市場非常需要支持小型化和減少工時的全碳化硅模塊。
羅姆在今年新發布碳化硅品牌EcoSiC?,它的設計理念分為兩個部分,前半部分Eco有“環保、生態”的含義,SiC是羅姆重點發展的戰略產品之一。EcoSiC?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”這個字母上面的一點是六角形的,并不是圓形的,現在主流的碳化硅器件都是6HSiC,于是采用六邊形的結構,羅姆希望EcoSiC?可以引領碳化硅朝著創新和更環保、更生態的路線發展。而且近些年,羅姆在碳化硅的產品研發和產品戰略上做了非常多的投入,銷售目標是預計在2025財年達到1100億日幣,到2027財年達到2200億日幣。目前已經獲得超過130家客戶的Design-wins。
經過多年的市場調研及產品研發,羅姆專門針對電動汽車主機逆變器量身定制的TRCDRIVE pack?產品也于今年問世。TRCDRIVE pack?是牽引逆變器驅動用SiC塑封模塊的專用商標,標有該商標的產品利用羅姆自有的結構,更大程度地擴大了散熱面積,從而實現了緊湊型封裝。全碳化硅模塊分為兩種形態,一種是灌膠型,一種是塑封型,羅姆的TRCDRIVE pack?屬于塑封范疇。TRCDRIVE pack?搭載了羅姆低導通電阻的第4代SiC MOSFET,可以實現普通SiC封裝型模塊1.5倍的業界超高功率密度,非常有助于xEV逆變器的小型化。此外,該全碳化硅模塊在模塊頂部配備了“Press fit pin”方式的控制用信號引腳,因此只需從頂部按壓柵極驅動器電路板即可完成連接,有助于減少安裝工時。此外,它還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。
TRCDRIVE pack?產品陣容分為750V和1200V兩個耐壓級別,分別針對400V低壓平臺與800V高壓平臺需求,滿足不同車型的應用場景。同時,產品還分為大小兩個規格,以對應普通轎車和超跑、SUV不同功率段的需求。新開發的4款TRCDRIVE pack?產品均為半橋(二合一)碳化硅塑封模塊,其中包括2個750V模塊(BSTxxxD08P4A1x4)和2個1200V模塊(BSTxxxD12P4A1x1),分別面向400V和800V車型。TRCDRIVE pack?產品目前具有2個封裝尺寸,最大的輸出電流為700A以上。
在日前舉辦的PCIM Asia展會上,羅姆現場展示了其適用于車載牽引逆變器的新型二合一SiC功率模塊“TRCDRIVE pack?”新品,以及650V耐壓GaN HEMT和Power Stage IC,8英寸SiC Wafer和8英寸SiC襯底工藝等。羅姆半導體高級經理蘇勇錦在現場介紹了TRCDRIVE pack?的四個突出的特點:
第一是小型化,它采用電流在內部芯片間均勻流動的羅姆的自有布局設計,低導通電阻的羅姆第4代SiC MOSFET,同時結合免焊接端子(Press fit pin)與塑封工藝,成功克服了傳統信號線布局難題,將模塊尺寸減小達28%,實現產品小型封裝。
第二是高功率密度,它可以通過盡可能擴大散熱面積,實現普通產品1.5倍的業界超高功率密度。比如羅姆采用可以流過更大電流的銅帶(Cu Clip)布線,通過精細的結構優化與3D clip設計,顯著提升了電流承載能力;優化功率端子,采用了功率端子與NPN連接的獨特設計;選用耐高溫、高性能的樹脂;模塊底部采用銀燒結工藝散熱結構,熱阻更低,出流能力、整機散熱性能更好。
第三是減少安裝工時,該模塊去掉了連接器,在模塊頂部配備了“Press fit pin”方式的控制用信號引腳,因此只需從頂部按壓柵極驅動器電路板即可完成連接,有助于減少安裝工時,把尺寸做小。
第四是大量生產,塑封模塊相較于灌膠模塊,在生產工藝上更簡單,從成本控制和批量生產的角度來說,也有很大的優勢。
作為SiC市場主要玩家,羅姆不僅專注于研發與生產碳化硅功率半導體,還圍繞SiC MOSFET打造了一套完整的解決方案,提供有高競爭力的隔離柵極驅動器產品,電源管理IC、電流檢測電阻、二三極管等優秀的周邊器件。使用獨創的無磁芯變壓器隔離技術,集成電源、溫度控制、保護電路等,羅姆憑借包括封裝在內的獨創設計,可以實現隔離型柵極驅動器的高抗噪音、高可靠性。自從2016年在全球首次量產集電源和溫度控制于同一封裝的磁隔離柵極驅動器開始,目前羅姆在面向牽引逆變器的隔離柵極驅動器的份額已經達到全球第一,面向汽車的磁隔離式與容量式隔離柵極驅動器IC的份額占全球份額的60%。
值得一提的是,為了加速TRCDRIVE pack?的評估和應用,羅姆提供了電機測試設備,從仿真到熱設計的豐富解決方案,還有雙脈沖測試用和三相全橋用的兩種評估套件等多種支持資源,方便客戶在接近實際電路條件的狀態下進行評估。在驅動板上使用羅姆自有的高性能磁隔離驅動芯片,底部的水道也配合這個TRCDRIVE pack?全碳化硅模塊做了非常小型化的水道,電容器也是羅姆專門定制的,這形成了一個非常緊湊的設計,可以為客戶的前期研究帶來非常大的便利性,它將于今年的第三季度推出。
未來,羅姆碳化硅功率模塊業務的銷售目標是600億日元。除了現有模塊的單品以外,羅姆計劃推出在散熱器上安裝三個模塊的六合一碳化硅封裝模塊,該產品重新設計了定制水道、散熱及電容設計,采用pin to pin的模塊形態,功率密度同樣提升約1.3倍,預計于2024年第二季度開始供應樣品,它將有助于牽引逆變器的進一步小型化。正如蘇勇錦先生所說,在小型化、高效化的電動車市場需求的大環境下,羅姆將不斷推陳出新,為電動汽車的發展做出自己的貢獻。
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