2016年10月，ROHM（羅姆半導體）在Formula E（電動方程式錦標賽）的第三賽季與文圖里電動方程式車隊合作。ROHM為賽車的主逆變器提供SiC器件——實際上這一時期還是包含了基于Si的IGBT和SiC SBD的。而到了2017年12月第四賽季，ROHM就將其中的IGBT換成了SiC MOSFET。
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(tǒng)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(nèi)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?！?/p>
ROHM在PIMC Asia展示的應(yīng)用于賽車的逆變器；左邊的舊版逆變器用的功率模塊為Si IGBT和Si FRD，200kW；右邊新版則采用全SiC功率模塊，220kW
我們前不久在上海舉辦的PIMC Asia展會上，在ROHM展位的顯眼位置看到了第二賽季老款逆變器和第四賽季采用ROHM全SiC功率模塊逆變器的尺寸對比。工作人員告訴我們，后者較前者重量減輕了6kg，體積縮小了43%。這也是ROHM在SiC功率元器件，以及汽車市場發(fā)力的驚鴻一瞥。
ROHM展位的SiC產(chǎn)品展示占了較大區(qū)塊，包括SiC MOSFET、SBD（肖特基二極管）和模塊三大產(chǎn)品群，甚至還有像是6寸SiC溝槽型MOSFET晶圓的展示。ROHM在展會上的動作其實特別能表明其業(yè)務(wù)重心及對SiC功率元器件的志在必得。
SiC優(yōu)勢表現(xiàn)在哪兒？
SiC的價值已經(jīng)被說得很多了，碳原子本身的電子數(shù)比硅要小，所以碳原子對外層電子束縛力更強，禁帶就比硅更寬。所以SiC形成的化學鍵更難被打破，電子從價帶躍遷至導帶的能量要求越大。這是寬禁帶材料相較硅基本身，更耐受高溫、高壓的原因；而且die可以做得更小，導通電阻更小，導通壓降就小，損耗發(fā)熱相對就少了；另外就是寄生電容也可以更小，開關(guān)損耗小，導通關(guān)斷快。應(yīng)用于電力電子領(lǐng)域，可在系統(tǒng)中實現(xiàn)電力轉(zhuǎn)換控制。
SiC相比Si，有著三倍的熱導率、寬三倍的禁帶，至多低1000倍的導通電阻，兩倍開關(guān)速度，所以場景就更加適合高壓應(yīng)用了，比如電源、太陽能逆變器、電動汽車領(lǐng)域等。SiC市場尤其在這兩年的發(fā)展是十分火熱的。
說得更具體些，文首提到的應(yīng)用于賽車的新版逆變器支持不同的開關(guān)頻率，從16kHz-24kHz?？捎米罡咻敵龉β剩琒iC MOSFET還比舊版Si IGBT高出了20kW，但體積和重量都比Si IGBT小很多。所以功率密度達到了更高的22kW/L，比舊版IGBT解決方案高出57%。
這里的傳動系統(tǒng)運行在較高的扭矩范圍內(nèi)時，模塊要求提供電流高于500Arms。在賽車加速階段，這個還是很重要的。上面這張圖展示了最高扭矩操作下兩版逆變器的效率曲線。在整個區(qū)間內(nèi)，SiC MOSFET效率都更高。在50kW、100kW輸出功率點上，兩者的效率差異分別為5.0%和2.5%。
顯然新版逆變器具備了低損耗的特點，也就是給汽車輪子賦予了更大的動力。更低的損耗也表示在同樣的冷卻系統(tǒng)下，芯片溫度更低。具體到上述賽車內(nèi)部，SiC MOSFET逆變器外的散熱系統(tǒng)可以因此讓體積縮減超過30%。這樣一來連鎖反應(yīng)，如果保持相同的續(xù)航里程的話，那么電池的容量和體積又可以縮減了。
實際上，這也很容易表明SiC的這種特性致使功率轉(zhuǎn)換模塊對電容電感等被動元器件和散熱系統(tǒng)的要求大大降低，圍繞這一核心器件帶動的是整個系統(tǒng)的優(yōu)化。這也是SiC的誘人之處。
劃重點：汽車與SiC
Yole去年11月份有關(guān)GaN與SiC功率元器件統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，2017-2023年SiC功率元器件市場規(guī)模的復合年增長率為31%，到2023年超過15億美元。這個市場主要包含馬達驅(qū)動器、充電基礎(chǔ)設(shè)施、電動汽車、太陽能光伏、地鐵等。這里面充電基礎(chǔ)設(shè)施和電動汽車相關(guān)的市場營收CAGR分別可以達到101%和76%，所以市場還是相當巨大的。
數(shù)據(jù)來源：Yole Development
這份數(shù)據(jù)的統(tǒng)計周期比較靠前了，當時ROHM半導體在電力電子領(lǐng)域營收在全球范圍內(nèi)也是能夠列入前10的。數(shù)據(jù)統(tǒng)計了包含Si-IGBT、SiC、GaN、SJ MOFET在內(nèi)的項目。而從ROHM自己的財報數(shù)據(jù)和解析，也能看出一些端倪。
ROHM將自家業(yè)務(wù)組成切分成了IC、分立半導體器件、模塊（Modules）和其他。實際上我們很難從這個分類中單獨看出SiC在ROHM內(nèi)部的發(fā)展情況。比如IC業(yè)務(wù)中的隔離式柵極驅(qū)動器IC（Isolated gate driver IC），就包含有SiC和IGBT；分立半導體器件也同樣包含SiC器件。
不過好在ROHM還就銷售額做了應(yīng)用方面的細分，其中汽車（Automotive）應(yīng)用現(xiàn)如今正是ROHM的營收支柱，截至今年3月的財報顯示，該應(yīng)用在公司凈銷售額中占到了34.4%的量，相比去年還攀升了2.2個百分比。ROHM在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用主要包括了引擎控制單元、氣囊、汽車導航、汽車音頻、ADAS等。所以展示賽車中的全SiC功率模塊，很能說明這家公司現(xiàn)如今的核心思路：市場整體趨勢和ROHM的財報，都可以表現(xiàn)清晰的方向。
電動汽車領(lǐng)域的布局
我們再細看一眼這份財報，實際就各業(yè)務(wù)收益情況來看，ROHM的2019財年相比2018年是幾乎持平的，四大業(yè)務(wù)有進有退。而就2020預期，ROHM自己似乎還比較悲觀，除了Others部分之外，其他都預期會出現(xiàn)下滑。在財報分析中，ROHM認為，2019年上半年的情況是非常好的，但下半年則受到了中美貿(mào)易戰(zhàn)、英國脫歐等因素的影響。另外就是中國汽車行業(yè)銷售出現(xiàn)滑坡——這在行業(yè)內(nèi)也是個共識了——對ROHM也有影響；還包括了歐洲總體經(jīng)濟情況出現(xiàn)衰退。
中美貿(mào)易戰(zhàn)對工業(yè)設(shè)備市場、家電消費產(chǎn)品市場實質(zhì)都產(chǎn)生了沖擊，另外智能手機市場已經(jīng)步入了成熟期。但唯獨在全球范圍內(nèi)“汽車電子市場全年穩(wěn)定發(fā)展”，“由于消費產(chǎn)品與智能手機市場的銷售下降，以及汽車與工業(yè)設(shè)備市場的增長，這一年的凈銷售額相比去年同期提升0.5%?！绷硗?，“在這樣的環(huán)境下，ROHM集團會持續(xù)實施加強汽車電子、工業(yè)設(shè)備市場產(chǎn)品線的策略，兩者預計都會在中長期持續(xù)上揚，海外市場尤其將出現(xiàn)銷售激增?！?/p>
在業(yè)務(wù)細分的IC和Others（包括電阻器、鉭電容等）中，汽車應(yīng)用相關(guān)的銷售情況都是強勁的。所以很容易理解ROHM現(xiàn)在的方向在哪兒。PIMC Aisa展位上，我們看到有個小冊子叫《面向電動汽車的羅姆元器件》，可以很好地解讀ROHM現(xiàn)如今在電動汽車的應(yīng)用著力點。
1700V/250A高耐壓全SiC功率模塊，這個模塊的最大優(yōu)勢是低導通電阻，應(yīng)用包括了高電壓脈沖電源、直流電網(wǎng)、變頻器等。
搭載SiC溝槽型MOSFET的5kW絕緣雙方向DC/DC轉(zhuǎn)換器
· 其一是前面就提到的主逆變器，這部分是將電池的直流電轉(zhuǎn)換為三相交流電來驅(qū)動電機的組件。SiC MOSFET和SiC SBD是重要發(fā)展方向，對于低導通電阻化是有優(yōu)勢的；
· 其二是車載充電樁（OBC）的AC/DC轉(zhuǎn)換器，將交流電壓100-240V轉(zhuǎn)換為直流電壓，對高電壓電池充電。這是SiC一個非常典型的應(yīng)用場景，因為電動車充電要求時間短，快速充電標準的電壓是趨于變高的。
· 其三，DC/DC轉(zhuǎn)換器，通過控制功率元器件，高壓電池電壓經(jīng)變壓器轉(zhuǎn)換為直流低電壓。SiC MOSFET可以實現(xiàn)高速開關(guān)工作，提高安全性的同時實現(xiàn)小型化和高性能。
· 還有電動壓縮機，車內(nèi)的空調(diào)壓縮機由電力驅(qū)動，控制旋轉(zhuǎn)的逆變器的高耐壓、高可靠性、高效率特性就很重要了，不過這部分ROHM尚側(cè)重在IGBT。
對電動汽車而言，提高續(xù)航里程、縮短充電時間，更輕量化、高性能、耐受更嚴苛的環(huán)境，以及本身系統(tǒng)電壓平臺高壓化的趨勢（歐洲已經(jīng)提出過800V的電壓平臺），都是選擇SiC的原因。
我們在這次展會上還看到了一款1700V/250A的全SiC功率模塊，工作人員說模塊的高電壓已經(jīng)超過了混合電力汽車的需求，對于戶外發(fā)電系統(tǒng)和工業(yè)高功率供給的逆變和變頻應(yīng)用還是相當適用的。
推進與時間
ROHM在SiC MOSFET方面的開發(fā)動作是從2002年開始的，樣品發(fā)貨是在2005年，300A MOSFET試產(chǎn)于2007年，2008年發(fā)布溝道結(jié)構(gòu)（2015年量產(chǎn)）。2009年是個節(jié)點，這年7月ROHM收購德國SiCrystal公司，從這個時候開始就確立了ROHM作為SiC IDM的生產(chǎn)體制?！拔覀儚腟iC晶圓、原材料，到后面的封裝都是自己公司完成的，這個在世界上都是屈指可數(shù)的生產(chǎn)體質(zhì)。工業(yè)設(shè)備、汽車領(lǐng)域都需要長期穩(wěn)定的供貨，我們ROHM是可以做到的。”
ROHM工廠制造的6寸SiC溝槽型MOSFET晶圓，4寸到6寸晶圓生產(chǎn)的轉(zhuǎn)變期應(yīng)該還在持續(xù)
ROHM從2010年開始量產(chǎn)SiC SBD和MOSFET產(chǎn)品，2012年量產(chǎn)完整的SiC功率模塊。目前ROHM的SiC產(chǎn)品包括了SBD、MOSFET、功率模塊（將半導體芯片融合到一個單獨的模塊中）。這樣看來，ROHM在SiC方面的布局并非一朝一夕，而是“蓄謀已久”的。
這兩年有關(guān)ROHM擴充SiC產(chǎn)能、進駐新市場的新聞還是不少的，比如去年宣布計劃在日本筑后的Apollo工廠打造新的11000平米三層建筑——這個計劃應(yīng)該預計在2020年末完工。去年9月，ROHM宣布針對印度電動汽車市場推解決方案，滿足針對電動汽車和混合電動車的增長需求，其中一個核心就是SiC功率元器件。今年三月，ROHM宣布推出新的汽車級SiC MOSFET系列AEC-Q101（擊穿電壓650V/1200V）……
今年早前ROHM電源系統(tǒng)相關(guān)負責人Aly Mashaly提到，預計2025年ROHM要拿下30%的市場份額，令其成為這一市場的頭號玩家。目前SiC需要解決的問題應(yīng)該仍然是成本，預計成本方面的削減需要隨電動汽車行業(yè)的進一步發(fā)展，這可能是未來2-3年的行情。回看公司2020財年財務(wù)成績預期下滑也就不奇怪了，進一步的成本投入，應(yīng)該是ROHM近一兩年的規(guī)劃。