罗姆半导体马宁：SiC上车助力新能源汽车普及

  当前，SiC(碳化硅)在新能源汽车领域表现出显著的增长和广阔发展前途。特别是SiC技术因其低导通电阻和低开关损耗等优势，被大范围的应用于新能源汽车的电机驱动控制管理系统中，以提升续航里程和充电效率。尽管成本比较高，但随技术进步和市场需求的推动，SiC的应用正在迅速扩展。

  在2024世界传感器大会——车规级半导体产业高质量发展大会上，罗姆半导体(上海)有限公司北京分公司High Power Solution FAE部门经理马宁以“SiC在新能源汽车上的应用”为主题，分享了碳化硅在新能源汽车上的应用趋势，以及罗姆半导体在碳化硅技术上相关的布局与应用。

  随着技术进步和成本降低，SiC器件的应用场景范围将逐步扩大，成为高效、可持续电力系统的关键组成部分。马宁表示，碳化硅(SiC)材料凭借其耐高压、耐高温、高频性能、高热导率、低损耗等独特物理特性，在现代电子设备、电力电子、电动汽车、可再次生产的能源等领域展现出巨大的应用潜力。

  具体而言，与传统硅器件相比，SiC材料的禁带宽度约为硅的三倍，热导率是硅的三倍以上，熔点高达2830 ，约为硅的两倍。这些特性使得SiC器件能够在高温环境下稳定工作，减少电流泄漏，并提升工作温度。

  不过，马宁指出，尽管碳化硅材料理论上可以在400-600 下正常工作，但目前多数SiC器件的最高额定结温都是175 ，主要是封装材料限制了碳化硅器件的性能发挥。目前，业界都在进行一些新型材料研究，未来碳化硅器件肯定能应用在200 以上的结温。

  同时，SiC材料的击穿场强是硅(Si)材料的10倍以上，这在某种程度上预示着SiC能承受更高的电压，适用于高压电力应用。这使得SiC器件在相同耐压值下，导通电阻和尺寸仅为Si的1/10，从而大幅度减少功率损耗。马宁表示，碳化硅可实现耐高压的同时，漂移层变薄，相应的导通电阻也可以大大降低。根据理论研究，碳化硅漂移层电阻大约能做到硅器件1/300。

  此外，在饱和电子迁移速度上，碳化硅材料大约是硅材料的2倍，意味着碳化硅材料更适合于高频应用。而在热导率上，碳化硅材料大约是硅材料3倍，具有更好散热性能。

  马宁表示，碳化硅(SiC)材料凭借其耐高压、耐高温、高频性能、高热导率、低损耗等独特物理特性，更适用于高频、大功率的应用场景。他表示，“在相同的导通阻抗下，可以把芯片做得很小。不管是器件也好，模块也好，都可以把它做成一个小型化的产品。而在高工作频率上，碳化硅在电源上应用优势也是很明显的，能带来磁性器件和电容的小型化，整个电源系统也能轻松实现小型化。”

  而在高温工作上，碳化硅主要展现两方面优势：一是碳化硅本身结温非常高，通过不断技术迭代、材料迭代，将进一步发挥其高温工作优势；二是碳化硅本身散热能力是比较强，在散热系统模块设计上，能轻松实现小型化的设计，能够更好的降低开发难度。

  随着新能源车的普及应用，SiC在该典型应用中展现出明显的优势。马宁特别例举了目前最主要几个应用场景，包括主机逆变器、车载充电机(OBC)、DC/DC转换器等。他表示，碳化硅在这些应用中都已经取得量产应用。同时，在电动压缩机控制器等其他应用场景中，碳化硅虽然还未得到市场的广泛应用，但是相应方案也已经在进行研究和开发。

  未来几年，SiC(碳化硅)功率器件在xEV(电动汽车)应用领域中扮演着重要角色。根据Yole的预测，到2029年，SiC功率器件市场规模将达到100亿美元，其中新能源汽车是最大的应用市场。SiC功率器件在电动汽车中的应用包括主机逆变器、车载充电机(OBC)、DC-DC转换器等，这些应用推动了SiC器件在汽车电气化各环节中的渗透。

  马宁表示，主机逆变器是碳化硅最大的应用场景，主要是主机对于电流要求比较高，而且对碳化硅芯片应用的数量都远高于其他应用。他表示，目前主机主要发展趋势是机电一体化，以“三合一”的驱动单元为例，要求逆变器要实现小型化、高功率密度化和高效率化。

  根据罗姆半导体的调查和分析，新能源汽车主机逆变器对电流要求大约集中在300A到600A区间，而300A以上的大电流和400V以上的高耐压区将是碳化硅重要的应用场景。同时，随着800V高压平台的普及，基于SiC的解决方案将在新能源汽车市场中占了重要地位。马宁表示，“800V高压平台不仅能提高充电速度，降低整体对充电线的线径要求，同时能提高充电效率。未来，800V高压充电将是未来重要发展的新趋势。”

  马宁重点介绍了SiC在整车系统级的应用优势(主机逆变器和升压电路)，大多数表现在以下几个方面：一是高效率，在相同电池包容量下，碳化硅能提高续航里程，同时降低功耗，相应整体的散热系统模块设计可以简化，还能够更好的降低整车重量；二是高频化，可以让电感小型化，减小母排电容尺寸，让电机能够更好的降低噪声，降低铁损；三是高压化，减轻线材重量，减低铜损，电机小型化，增加输出功率。

  “碳化硅方案整体效率要远高于IGBT方案。”马宁表示，与IGBT模块相比，在WLTC测试中，第4代SiC MOSFET模块有9.8%的效率提高。而且，第4代SiC MOSFET总电耗比IGBT改善6%，市区模式下改善10%。

  马宁也介绍，HybridPack Drive封装是IGBT模块的标准封装。许多公司的SiC模块也在用这种封装。但预测从2027~2028年，塑封模块将成为主流。

  此外，SiC器件在车载充电系统(OBC)中可提升充电速度和功率密度，简化冷却系统结构，并提升整体系统的效率。而在DC-DC应用上，SiC器件也能大大的提升转换效率和减少能量损耗，有助于提升车辆的续航能力和系统性能。

  为了更好的推动SiC产品的发展，罗姆半导体在2024年正式推出了“EcoSiC”品牌。马宁介绍，“Eco”有“环保、生态”的含义；SiC是罗姆半导体最重要的战略产品线之一；“E”代表着地球(Earth)、元器件(Element)；蓝色衬底代表罗姆对未来技术的创新，还有环保的承诺。罗姆半导体发布EcoSiC品牌就是想通过该品牌引领碳化硅朝着创新、更环保、更生态的方向发展。

  罗姆半导体最早在2000年就开始研发碳化硅；2009年全资收购德国碳化硅衬底公司SiCrystal；次年量产SiC SBD/MOS产品；2012年世界首发全碳化硅功率模块；2015年通过技术升级，世界首发了沟槽型碳化硅MOSFET；2021年发布第4代沟槽型SiC MOS；2024年正式推出了全碳化硅塑封模块；未来将推出第5代SiC MOS……

  目前，从晶圆生产到制造工艺、封装和品质管理方法，ROHM一直在自主开发SiC产品升级所必需的技术。另外，ROHM在制作的完整过程中采用的是一贯制生产体系，目前已经确立了SiC领域先进企业的地位。

  马宁表示，目前罗姆半导体已经彻底贯通SiC功率半导体生产体制，能轻松实现高品质和稳定供货。“目前我们正在量产的是第四代SiC产品，计划在2025年正式推出第五代SiC产品。第五代SiC产品的特点是相对于第四代SiC产品导通阻抗逐步降低30%。我们将持续在导通阻抗减小的技术上进行深挖。在第五代产品发布后，预计两年之后，我们会发布第六代SiC产品。其中，第五代SiC计划用8英寸芯片来进行制作。”

  而在产能规划上，罗姆半导体目前量产SiC其实是基于6英寸芯片，“从2025年底第五代SiC发布之后，将以8英寸作为我们主要的生产载体，未来产能增长也主要是集中在8英寸上。”

  面向新能源车这一典型应用，目前罗姆半导体也开发了一系列碳化硅产品，包括今年发布的TRCDRIVE packTM模块，以应对未来小型化、集成化应用趋势。