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深耕车载领域,ROHM发力碳化硅市场

关键词:ROHM 车载信息娱乐 车身控制模块 碳化硅市场ADAS高级驾驶辅助系统

时间:2017-09-19 10:52:16       来源:中电网

汽车市场正在向环保、安全、舒适三个方向不断前进。有消息说,法国、英国计划从2040年开始全面禁止销售化石燃料动力汽车,姑且不去讨论消息是否可靠,但就我们每天生活的城市,以北京为例,2016年北京空气质量达标天数198天,换句话说剩下的那168天,你们懂得。显然地球温暖化成为趋势,因而环境保护已经成为当下急待解决的问题。各种环境政策相继出台,涉及到汽车行业,其中对尾气排放的标准变得越来越严格,这便导致汽车电动化的不断推进。来自Strategy Analysis预测,到2024年将会有2千万台各种电动车面世。除汽车趋向电动化,轻量化、车灯LED化也成为发展趋势。

在安全方面,自动驾驶是一个非常火热的未来潮流,据9月6日消息,美国众议院正式通过“自动驾驶法案”,允许汽车厂商和科技公司每年在公共道路进行10 万台车辆的自动驾驶测试。虽然国内自动驾驶相关法律法规还不太健全,但笔者相信在不久的将来一定会有相关法规出台。除此之外ADAS就像大侦探一样,第一时间收集车内外各种环境数据,能够让驾驶员在最快的时间察觉可能发生的险情,以引起注意和提高警惕性。

另外,在舒适方面,超大、高精度的显示器已成为当下流行元素。

近期全球知名半导体制造商ROHM(罗姆)公司宣布其整体战略正在从消费类电子产品慢慢转向车载及工业产品。

ROHM株式会社车载战略部、车身及传动课课长坂井善治先生告诉记者,ROHM整体战略正在从消费类电子产品慢慢转向车载及工业产品,目前的目标将车载和工业设备比例提高到44%。预计到2020年车载和工业设备的比例将达到全部业务的50%,其中车载占35%左右。

具体到汽车细分领域,坂井善治先生提到ROHM所关注的四大成长领域分别是:车载信息娱乐、ADAS、车身控制模块、面向xEV的动力传动,接下来随笔者一起看个究竟。

图1:ROHM株式会社车载战略部、车身及传动课课长坂井善治先生

车载信息娱乐

我们发现,车载液晶显示屏尺寸越来越大,甚至在一辆车上多达几块显示屏。坂井善治先生介绍,ROHM拥有整套LCD面板用芯片组;除此之外ROHM还与英特尔、瑞萨这些CPU厂商合作,并开发一些参考电源IC。随着汽车电动化,可以预见汽车噪声将会越来越小,而加载高解析度音频的IC将使得车内环境变得安静舒适。值得一提的是,全世界仅有ROHM可以提供支持功能安全的芯片组。坂井善治先生举了个例子:当汽车仪表设计全部液晶化时,车内所有驾驶里程表、速度表等一旦产生故障,将导致设备停止工作,全部变成黑屏。无论行驶在任何路况都会对行驶者造成非常大的困扰。采用了ROHM支持安全功能的芯片后,即使发生故障,也会有一些基本的安全指示信息。ROHM除提供电源给客户外,同时可以提供丰富的周边零部件,可以大大缩短客户系统开发时间,关于此方案,多家客户已确定采用或是正在洽谈中。


图2:支持功能安全的LCD面板方案

ADAS高级驾驶辅助系统

自动驾驶凭借车上搭载的各种传感器,方才可以实现自动化驾驶。传感器是自动驾驶的眼睛,当诸如此类器件增加更多时,在不影响汽车的整体设计下,传感器以及一些处理IC必须做到体积小、高效率、高品质。ROHM可以提供声呐用信号处理IC、照相机用电源IC、毫米波雷达用电源IC以及传感器用MOSFET等产品。下图为ROHM在ADAS上的解决方案。


图3: ROHM在ADAS上的解决方案

车身控制模块

ROHM预测,未来汽车大灯会不断LED化,小伙伴们夜间行车是否遇到过这样的困扰:会车时常被对方的大灯晃了眼,造成短暂“失明”,两车大灯交会处白茫茫一片,看不清任何事物,如此为我们带来极大的安全隐患。ROHM的多功能LED控制器IC+IPD方案可以自动检测对向行驶车辆,实现自动关闭大灯的功能。除此之外,ROHM也拥有许多产品在车辆信息传输功能方面。坂井善治先生透露,ROHM有意向涉及CPU等新产品的开发。

面向xEV的动力传输

随着汽车电动化的发展,功率元器件使用数量大大增加,ROHM在不断的推进功率元器件产品的整体数量,使其更加丰富化。其中主要以碳化硅和绝缘栅极驱动器,包括大电流监测电器、点火器等。ROHM实现了世界最高性能的电源解决方案,此方案中值得关注是On Board Charged、Main Inverter、DC/DC Converter,且均有多家企业采用并且量产。


图4: ROHM面向xEV的动力传输电源解决方案

坂井善治先生还表示,ROHM必须赶在市场变化之前,开发出相应的产品,以保证走在市场的最前沿。

功率器件中的潜力股—碳化硅

除器件的发展之外,ROHM在半导体材料上也不断开拓新领域。大家都知道半导体常用材料有硅、锗、氮化镓、碳化硅,就功率器件而言,碳化硅(SiC)是一种新材料,具有世界第二最坚硬材料之称,击穿电压高达1700V,导热性是硅的5倍,与硅相比内阻更低。ROHM半导体(上海)有限公司设计中心高级经理水原德健先生介绍,碳化硅(SiC)应用在汽车领域包括无线充电以及充电桩上,用在汽车本体上主要有三大方向:牵引逆变器、降压转换器和车载充电器,未来很可能扩充到汽车轴承或者转动上。碳化硅功率元器件(MOSFET)与SI-IGBT相比,具体应用到电动汽车和混动汽车有如下优势:首先可以使电力电子设备的空气冷却;其次,体积和重量变得更小;第三,行驶距离更长,效率提升。

水原德健先生告诉记者,ROHM的碳化硅技术已走进FormulaE电动方程式赛车团队,与团队成员VERTURI已建立技术合作伙伴关系。

图5:ROHM半导体(上海)有限公司设计中心高级经理水原德健先生


另外,ROHM联合清华大学自2008开始在碳化硅上做了很多研究,清华大学电机系教授赵争鸣先生分享到由于电力电子有着大电流高电压的特征,在研究上,目前面临三大挑战:第一变换能力的挑战;第二设计和分析的挑战;第三由于能量变化找不到出口,致使器件断路的挑战。反映到学术上便是功率半导体器件瞬态开关特性及其模型的建立、基于分布杂散参数的轮胎变换拓扑模型机器能量平衡、以及电磁瞬态脉冲序列分析及控制。赵教授强调清华大学与ROHM面临的工作便是如何认识,如何分析,如何解决以上问题。

图6:清华大学电机系教授赵争鸣先生

赵教授表示:“从硅到碳化硅,材料发生巨大的变化,器件得到明显的改进,装置性得到明显的提高,这是一个不同等级的进步。但是这中间仍然没有发挥它的潜力,因为周边其他器件没有完全跟上。如同一个班级有很优秀的学生也有很差的学生,平均水平还不够,现在还在继续前行,联合厂商把整体水平提高。”

ROHM是市场上唯一一家从原材料碳化硅的生产到封装全部拥有的制造商,能做到这些得益于2008年对SICrystalAG的收购,生产碳化硅此公司列居全球第二。水原德健先生介绍到ROHM在碳化硅上的一些成绩:2010年4月ROHM的SiC肖特基势垒二级管批量生产,此为日本第一家,全球第四家推出;同年12月份全球首款SIC平面MOS批量生产;2012年3月全球首款全SiC模块批量生产;2015年6月全球首款SIC Trench-MOS得以批量生产。

SiC-SBD(碳化硅肖特基势垒二级管)的诞生主要是取代Si-FRD(硅快恢复二级管),反向特性是开关最大的损耗,如何降低此电压,成为当下急待解决的问题。如图三角越大相反效率越低,当使用SiC做SBD沟槽时,可以看到特性改变很大。另外,半导体硅随着正相电流变大损耗越多,而碳化硅的特性决定损耗不会随着电流的增大而变大。


图6:反向特性Si-FRD和 SiC-SBD对比图

目前为止ROHM已经更新到第三代SiC-SBD,毫不夸张的讲,此产品已为世界顶级产品,第三代产品不仅继承了第二代SiC—SBD所实现的低正向电压特性,同时还确保了高抗浪涌电流特性,主要以650V产品为主。

下图展示了ROHM产品同其他公司在正向电压上的对比。


图7:ROHM产品同其他公司在正向电压上的对比

各种功率元器件的定位

水原德健先生说到,市场中同类产品大概有SiMOSFET、SiC MOSFET、Si IGBT以及GanHEMT,从开关频率及能耗来讲各有所长,如GanHEMT在高频方面最为突出,而SiC MOSFET耐压特性更强。目前ROHM以开拓SiC-MOSFET为主,未来很有可能把SiC用在IGBT方面,使得耐压变的更高。下图可以看出,SiC-MOSFET与原有的Si IGBT相比,在开关损耗上更小。


图8:SiC-MOSFET与原有的Si IGBT相比,在开关损耗上更小

ROHM的第二代与第三代SiC MOSFET相比,在结构上,前者使用DMOS(平面栅极),后者采用UMOS(沟槽栅极),在相同的导通电流下第三代产品可以做到更高的效率,同时降低成本。

 
图9:一二代 SiC-MOSFET结构对比

另外,新一代的TrenchMOSFET,ROHM拥有双沟槽结构专利,原理在于如下图:在Gate Trench底电场非常集中,为了缓和栅极氧化膜底部的电场集中,确保长期可靠性,Trench技术在Gate两边进行两个沟槽,让电流从两侧流出,使得能量更小,耐压性更好。在相同尺寸的芯片上,第三代在Ciss上降低35%,在Ron上降低50%,产品以650V和1200 为主。


图10:新一代 Trench-MOSFET结构图

好的产品同样需要好的仿真测试,水原德健先生介绍,目前市场上多为静态仿真,但在汽车行业真正需要的是更接近实际化的仿真,ROHM与法国公司Dassault合作,尤其是在功率和电池上做到高精度的仿真效果。

ROHM从微电子开始逐步走到电力电子,由家电产品正在向车载应用发力,由此看来,碳化硅的应用已然成为ROHM今后开拓市场的重要材料。

关于ROHM

以下,ROHM半导体(上海)有限公司董事长藤村雷太先生为大家详细介绍了ROHM公司情况,藤村雷太先生表示,ROHM非常重视中国市场,并将引领整个电动汽车的发展。ROHM计划面向车身、动力传动,包括安全驾驶等用途进行一系列的产品设计加速。对车载产品来说,精度和品质至关重要,ROHM从创业之初便把品质第一作为企业理念,事实证明ROHM也是这样做的。

ROHM这家公司成立在1958年,全整销售额达到35亿美金左右,以LSI和半导体为主首。从三次对公司logo的改进,可以看出,其产品在不断丰富。值得一提的是,ROHM拥有从开发到制造一条龙的垂直统合系统,包括从原材料到工艺生产设备,再到封装和技术支持,可以向市场输出非常高品质、高精度的产品。并在世界各地设立了QA中心,以便对质量问题早期应对。ROHM半导体(上海)有限公司设计中心所长李骏先生介绍说,ROHM的生产基地,主要分布在日本,以晶圆工艺为主,而海外以封装为主,国内在大连、天津设有两个工厂,除此之外在韩国、泰国、马来西亚等地也有相应的封装厂。全国各地设有18处销售网点。有着标准化体系的FAE流程,从最早客户的评估到选型再到电路的确认,包括电路图、电路板的确认,包括周边元器件的确认,软件的支持和现场的支持。为防止有些自然灾害的影响,出现供货不及时问题,ROHM所有工厂会有一个镜像的备份。并且通过几次收购,达成一个相辅相成的战略。另外,2011年清华大学建校100周年期,ROHM捐建了“清华-罗姆电子工程馆”,设有“清华-罗姆共同研究中心”,以便促进技术交流开发工作。

图11:ROHM半导体(上海)有限公司董事长藤村雷太先生

图12:ROHM半导体(上海)有限公司设计中心所长李骏先生

 

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