罗姆公司面向赛车领域推进全碳化硅模块布局
早在Formula E上一赛季，日本罗姆半导体公司（ROHM semiconductor）就已经与法国Venturi车队达成合作协议，面向赛事车辆提供整合碳化硅器件的功率模块。日前，由ROHM提供的全碳化硅逆变器在保持性能不变的前提下已经实现了体积减小43%，重量降低6公斤的大幅度提升。
背景
去年4月，日本罗姆半导体公司就已经在PCIM 2016大会中推出了第三代650V碳化硅肖特基二极管（SiC SBD）以及1200V/180A全碳化硅功率模块。相比第一代产品，第三代模块基于最新的UMOS结构其整体开关损失降低了77%。
图1 三代产品对比
而作为法国Venturi车队的技术合作方，在第三赛季时，罗姆向其提供了更加轻便（相比上一代降低2公斤重量）、更加高效（电子转换效率提升1.7%）的第二代碳化硅逆变器，其整合了SiC SBD器件。
图2 第三赛季的赛车专用逆变器
最新进展
相比上一代的微小提升，这次的变化更为明显。整体采用了SiC MOSFET和SiC SBD的双SiC设计，使得体积进一步缩小30%，重量控制在了9公斤，直接减轻了4公斤。
图3 赛车用逆变器对比
全碳化硅模块
图4 罗姆全碳化硅模块（E type）和模块电路图
时任罗姆功率器件产品部门经理的 Kazuhide Ino先生认为半导体器件是混合以及电动汽车的关键技术，最新一代全碳化硅模块整合了SiC SBD和SiC MOSFET，这种技术能够大幅的提升车辆性能。同时针对车辆重新设计了逆变器的结构，改善了散热性能。对于传统的硅材料IGBT器件，在150度的工作环境下，同时还能大幅降低开关损耗。
AC/DC转换器功率密度的提升，受制于高频化、小型化与散热能力之间的物理制衡。其核心机理在于：提升开关频率虽可缩减磁件与电容体积，却使开关损耗线性激增；而小型化又导致热源高度集中，散热面积骤减，形成极高的热流密度。因此，突破功率密度极限的根本路径，在于利用宽禁带器件从源头抑制高频损耗，并引入低热阻立体散热结构，以建立损耗增量与散热能力之间的动态平衡。
SiC肖特基二极管的超低损耗根源于其单极型多数载流子导电机制。不同于硅基PN结依赖少数载流子注入与存储，SiC的金属-半导体肖特基势垒仅通过多数载流子完成电荷输运，从物理源头消除了少子存储与复合过程。因此，当器件由导通转为截止时，无需经历电荷抽取与复合即可瞬间关断，实现了零反向恢复电流拖尾，彻底剔除了高频工况下占主导的反向恢复损耗与电压尖峰。
三相桥式逆变器中，IGBT作为核心可控开关，其工作原理是通过高频斩波与PWM调制，将恒定直流母线电压分割为宽度可调的脉冲序列，利用电机绕组的电感滤波特性，使高频脉冲电压等效为幅值与频率连续可调的正弦交流电，从而驱动电机实现无级调速。这一过程完全依赖IGBT在栅极电压控制下，对载流子导通沟道进行高速开启与关断，以完成电能从直流形态向可控交流形态的精准重构。
IPD基于BCD工艺在同一硅片上融合了纵向DMOS功率开关、片上薄膜采样电阻与PN结测温阵列，实现了功率驱动、电流感知与过热保护的单芯片一体化集成。其技术内核在于：利用功率回路内置的采样电阻直接提取负载电流以消除外部链路延迟，并通过与发热核心零距离耦合的测温二极管实时监控结温，从而构建起纳秒级响应的闭环自保护机制。
从硅到碳化硅MOSFET的技术跨越，其物理根基在于SiC材料约7倍于硅的临界击穿场强，这彻底重构了高压器件的结构设计逻辑。依托高临界场强，器件得以采用薄漂移层与高掺杂结构，在维持高耐压的同时大幅削减导通内阻；结合碳化硅单极型导电机制从根源消除少数载流子存储效应，彻底规避了反向恢复损耗与电流拖尾，实现了高压、高频与低损耗的协同突破。
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