回顾电动车的发展历程,早期其核心部件主要依赖硅基器件。但近年来,随着SiC工艺的不断革新与性价比的持续提升,其应用已从旗舰车型扩展至更多中低端低压平台。2021年后,纯电动车中牵引逆变器使用的电流值在300A~600A之间的占比已达73%,其中300A以上的大电流和400V以上的高耐压区需采用全SiC模块。在电动车的各类SiC器件中,全SiC模块的占比超90%,主要应用于牵引逆变器。
面向主机牵引逆变器,满足300A以上大电流和400V以上高耐压区的全SiC模块在市场上占据重要地位。然而,长期关注电动汽车领域的罗姆公司在此前一直缺乏具有竞争力的产品。不过,该公司近期成功开发出了面向300kW以下电动汽车用牵引逆变器的全SiC模块TRCDRIVE pack™。据罗姆半导体(深圳)有限公司技术中心高级经理苏勇锦介绍,“TRCDRIVE pack™”是罗姆的注册商标,其中TRC代表牵引,DRIVE代表驱动。
电动车电力系统主要由OBC、DC-DC以及驱动单元(包括牵引逆变器、电机等)组成。驱动单元大致可分为三合一、单独电控以及多合一等类型。电动驱动的核心在于功率器件,如IGBT和SiC,它们负责驱动电机。由于电机通常设计为三相,因此在实际应用中需处理六个桥臂。在电控设计中,多数厂家会选择将其中一个桥臂的两个MOSFET集成在一个模块中,形成二合一模块,也有将六个MOSFET全部集成在一个模块中的六合一设计。TRCDRIVE pack™即采用二合一模块设计。此外,目前SiC模块主要分为灌胶和塑封两种,TRCDRIVE pack™属于塑封模块。
创新设计
一直以来,SiC功率器件都面临着难以同时减小尺寸并降低损耗的难题。TRCDRIVE pack™通过采用罗姆首创的“press fit pin”与塑封模块工艺,成功实现了尺寸减小和损耗降低的双重目标。该模块将顶部信号引脚做得更小,优化了公差,相较于传统结构,模块尺寸减小了28%。同时,由于信号引脚位于模块顶部,只需从顶部按压栅极驱动器电路板即可完成连接,有助于减少安装工时。此外,模块内部设计了良好的均流路径,实现了主电流和控制信号的分离。
TRCDRIVE pack™模块具备高功率密度特性,功率密度是传统产品的1.5倍左右。在相同面积下,普通产品输出300A电流,而TRCDRIVE pack可以输出450A电流,对整机电控出流能力有很大提升。该模块通过使用Cu Clip布线和独特的3D clip设计,扩大了主电流布线中的电流路径,降低了电感值(5.7nH),从而降低了开关损耗。同时,模块的功率端子也得到优化,更加适应客户实际应用需求。此外,产品选用耐高温、高性能的树脂,有效解决了客户面临的高温问题。
罗姆已经为TRCDRIVE pack™模块确立了类似于分立产品的量产体系,与以往普通的SiC壳体型模块相比,产能提高了约30倍。由于采用塑封设计,生产工艺更简单,从成本控制和批量生产的角度来说,具有显著优势。
TRCDRIVE pack™涵盖两个耐压级别(750V和1200V)以及大小两种尺寸,以适应不同的功率需求。小型模块适用于普通轿车,而大型模块则适用于需要更高输出功率的车型,如超跑和SUV,其最大输出电流可达700A以上。该模块采用银烧结工艺连接底部散热板,以降低热阻、提升出流能力和整机散热性能。为满足不同客户需求,罗姆提供了丰富的产品阵容。此外,为方便客户评估和前期研发,罗姆还推出了包含TRCDRIVE pack™和驱动板的评估套件。驱动板上使用了罗姆自有的高性能磁隔离驱动芯片,且水道和电容器均经过专门定制,设计紧凑,可为客户提供极大的前期研究便利性。此评估套件计划于第三季度推出。
市场目标
电动车市场一直是罗姆的SiC业务最大的应用市场,在电动汽车领域,除了SiC功率器件,罗姆还致力于提供周边的配套器件,如用于驱动SiC的隔离栅极驱动IC、电源管理IC,以及电流检测的电阻、二三极管等。其负责驱动SiC MOSFET的隔离栅极驱动IC采用了罗姆独创的无磁芯变压器隔离技术,并集成了电源、温度监控、保护电路等,展现了其在模拟器件领域的深厚积累。
目前,罗姆在全球面向牵引逆变器的隔离栅极驱动器市场中位居首位,在磁隔离式+容量式隔离栅极驱动器全球市场中占据60%份额。随着马来西亚工厂新厂房的建设和预计的年内量产,罗姆将满足更多出货需求。
目前,TRCDRIVE pack™共有4款产品,包括750V的2个型号(BSTxxxD08P4A1x4)和1200V的2个型号(BSTxxxD12P4A1x1)。罗姆计划在2024年内开发出封装尺寸(Small / Large)和安装模式(TIM:heat dissipation sheet / Ag Sinter)不同的共12款产品。此外,目前罗姆正在开发六合一Sic封装型模块产品,为了最大化该产品性能,重新设计了水道、散热板、电容等组件,在保持pin to pin的模块形态基础上,其功率密度可达到原来的约1.3倍。
值得注意的是,TRCDRIVE pack™模块是罗姆最新发布的EcoSiC™品牌下的产品。EcoSiC™品牌名称由两部分组成:“Eco”寓意“环保、生态”,强调品牌的环保理念;而“SiC”作为罗姆的重点发展战略产品之一,代表了品牌在SiC技术领域的专注与投入。品牌中的“E”不仅代表地球和元器件,其蓝色底色还象征着罗姆对未来技术创新的追求和对环保的坚定承诺。尤其特别的是,其“SiC”中的“i”上的点被设计为六角形,与当前主流的6HSiC SiC器件的六边形结构相呼应,体现了品牌与技术的紧密结合。
罗姆期望EcoSiC™品牌能够引领SiC技术朝着更加创新、环保和生态的方向发展。在产品研发和产品战略上,罗姆投入了大量资源,已获得的pipeline总额已达1万亿日元。基于市场需求、产品竞争力以及已获取的具体订单数量,罗姆设定了明确的销售业务目标:计划在2025财年在SiC板块实现1100亿日元的销售额,并在2027财年提升至2200亿日元。目前,统计到2027年量产的所有项目,罗姆已经在全球范围内获得130家以上的design-win。