第三代半導(dǎo)體開啟新能源汽車新篇章

以碳化硅、氮化鎵為代表的寬禁帶半導(dǎo)體材料具有高熱導(dǎo)率、高擊穿場強、高飽和電子漂移速率等特點，可以極大滿足新能源汽車電動化、網(wǎng)聯(lián)化、智能化發(fā)展趨勢的要求，對新能源汽車發(fā)展具有重要意義。《中國電子報》開設(shè)“寬禁帶半導(dǎo)體與新能源汽車”專欄，以寬禁帶半導(dǎo)體在新能源汽車領(lǐng)域的應(yīng)用為切入點，全面系統(tǒng)報道寬禁帶半導(dǎo)體技術(shù)趨勢、市場發(fā)展現(xiàn)狀和產(chǎn)業(yè)發(fā)展難題等。敬請關(guān)注。

我國新能源汽車產(chǎn)銷量、保有量連續(xù)6年居世界首位，為寬禁帶半導(dǎo)體的技術(shù)驗證和更新迭代提供了大量應(yīng)用數(shù)據(jù)樣本。記者在采訪時了解到，寬禁帶半導(dǎo)體能有效提升新能源汽車性能并降低系統(tǒng)性成本，在新能源汽車領(lǐng)域的應(yīng)用正處于“小步快跑”階段，未來兩年有望迎來市場大爆發(fā)，但要實現(xiàn)規(guī)?；瘧?yīng)用，還需要產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同，多個層面發(fā)力。

寬禁帶半導(dǎo)體材料擁有高頻、高功率、耐高溫、抗高輻射、光電性能優(yōu)異等特點，特別適合于制造電力電子、微波射頻、光電子等元器件，與新能源汽車所代表的電氣化、智能化趨勢天然契合。

基本半導(dǎo)體汽車行業(yè)總監(jiān)文宇向《中國電子報》記者指出，碳化硅等寬禁帶半導(dǎo)體在新能源汽車的應(yīng)用空間，可以從以下層面來看。

在傳統(tǒng)的新能源汽車也就是純電動車領(lǐng)域，碳化硅主要用于電機(jī)驅(qū)動逆變器、OBC（車載充電機(jī)）和DC-DC車載電源轉(zhuǎn)換器。其中，用于電機(jī)驅(qū)動逆變器的功率模塊是最主要且增長空間最大的車用碳化硅產(chǎn)品。隨著新能源汽車技術(shù)的發(fā)展，以及氫燃料電池技術(shù)的應(yīng)用，碳化硅的應(yīng)用區(qū)間得到了大幅提升。

在超級快充領(lǐng)域，一般來說，50度電的新能源汽車滿充需要2個小時，而超級快充可以在10～15分鐘將電充滿。在超級快充的過程中，電池包會產(chǎn)生大量的熱，而最新的散熱技術(shù)是基于車載空調(diào)的散熱系統(tǒng)，這就為采用碳化硅器件的大功率空壓機(jī)提供了應(yīng)用空間。此外，氫燃料電池在把氣體轉(zhuǎn)化成電能時，空壓機(jī)對空氣進(jìn)行高速分離的過程中，以及氫燃料的電堆DC—DC在升壓過程中，硅器件已無法承擔(dān)此類系統(tǒng)對于高頻高效的需求，從而需要采用碳化硅功率器件來達(dá)到效果。

雖然碳化硅器件成本略高于硅基器件，但采用碳化硅器件實現(xiàn)了電池成本的大幅下降和續(xù)航里程的提升，從而有效降低了整車成本。數(shù)據(jù)顯示，在新能源汽車使用碳化硅MOSFET的90～350Kw驅(qū)動逆變器，碳化硅增加的成本為75～150美元，為電池、空間、冷卻系統(tǒng)節(jié)省的成本在525～850美元，系統(tǒng)性成本顯著下降。

國家新能源汽車技術(shù)創(chuàng)新中心總經(jīng)理原誠寅向《中國電子報》記者指出，碳化硅器件在新能源汽車中的技術(shù)價值，體現(xiàn)在能耗優(yōu)化、動力性能提升和車輛輕量化等指標(biāo)上。一是寬溫區(qū)。硅基IGBT的溫區(qū)一般在125?！?50。，碳化硅的工作溫度可以達(dá)到200。。電機(jī)一旦過熱就會主動降低功率避免器件損害，因而碳化硅功率器件能維持更長時間的高功率輸出。二是更高的能量轉(zhuǎn)化效率。三是更高的集成度。相比硅基，基于碳化硅功率模塊的電機(jī)控制器能實現(xiàn)30%～40%的減重，以及75%左右的體積縮小。

“使用碳化硅器件，能在乘用車的前機(jī)艙讓出更多空間，并降低整車重量。這就意味著車輛能耗降低，因為車輛能耗與風(fēng)阻和重量密切相關(guān)?！痹\寅表示。

碳化硅在新能源汽車的應(yīng)用，正處于“小步快跑”與批量化部署的臨界點上。Yole數(shù)據(jù)顯示，2019年碳化硅功率器件市場中有2.25億美元來源于新能源汽車，預(yù)計到2025年，碳化硅功率器件在新能源汽車領(lǐng)域的市場規(guī)模將達(dá)到15.53億美元，年復(fù)合增長率達(dá)38%。此外，受益于新能源車充電樁等基礎(chǔ)設(shè)施快速落地，預(yù)計到2025年應(yīng)用于充電樁的碳化硅市場規(guī)模將達(dá)到2.25億美元，年復(fù)合增長率達(dá)90%。

從應(yīng)用水平來看，碳化硅在車載電源領(lǐng)域的市場滲透率迅速提升，但在采用MOSFET的電機(jī)控制功率模塊上，大多數(shù)廠商還處于研發(fā)和樣機(jī)測試階段。不過，“勇開先河”的國內(nèi)外企業(yè)已經(jīng)出現(xiàn)。特斯拉Tesla推出的Model3，就采用了基于碳化硅MOSFET功率模塊的逆變器。比亞迪的“漢”也搭載了碳化硅MOSFET功率控制模塊。

北京三安光電有限公司副總經(jīng)理陳東坡向《中國電子報》表示，碳化硅在OBC上滲透得會快一些，國外不少公司已經(jīng)在2018年開始將碳化硅肖特基勢壘二極管和MOS管用在OBC上；同時，碳化硅MOS管在DC-DC上的應(yīng)用，也于2018年逐年增加。

“碳化硅在主逆變器上的應(yīng)用會慢一些，預(yù)計到2021年以后才會出現(xiàn)碳化硅MOS管的實質(zhì)性應(yīng)用。”陳東坡告訴記者。

文宇也表示，碳化硅在OBC和DC-DC的應(yīng)用已經(jīng)相對成熟。而基于碳化硅的電機(jī)控制器技術(shù)還處于研發(fā)階段，仍需要碳化硅功率模塊供應(yīng)商與整車企業(yè)、電機(jī)控制器企業(yè)協(xié)同測試驗證，以提升其應(yīng)用能力。目前來看，國內(nèi)整車企業(yè)搭載碳化硅電機(jī)控制器的新車量產(chǎn)時間大多集中在2022-2023年。

“2023年會成為碳化硅在新能源汽車市場的一個爆發(fā)點。應(yīng)用碳化硅模塊的車廠會越來越多。目前幾乎所有的乘用車企業(yè)都把碳化硅電機(jī)控制器開發(fā)列入到新項目開發(fā)的時間表中。從全球市場來看，預(yù)估2022-2023年，碳化硅的供應(yīng)會進(jìn)入到全面供不應(yīng)求的階段?！蔽挠钕蛴浾弑硎尽?/span>

2015年-2020年，我國新能源汽車產(chǎn)銷量、保有量連續(xù)6年居世界首位，為寬禁帶半導(dǎo)體的技術(shù)驗證和更新迭代提供了大量的應(yīng)用數(shù)據(jù)樣本。國家及地方政策的出臺，也為寬禁帶半導(dǎo)體等涉及新能源汽車基礎(chǔ)技術(shù)提升的產(chǎn)業(yè)注入動力。但是，要實現(xiàn)寬禁帶半導(dǎo)體在新能源汽車領(lǐng)域的規(guī)?；瘧?yīng)用，還要在技術(shù)、市場以及產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同等多個層面發(fā)力。

在技術(shù)層面，碳化硅作為新材料，需要專用的封裝工藝技術(shù)才能發(fā)揮優(yōu)勢，這對于模塊企業(yè)、電機(jī)控制器企業(yè)、整車企業(yè)而言都是一種挑戰(zhàn)。

“如果沿用傳統(tǒng)的硅IGBT封裝技術(shù)來做碳化硅的功率模塊，將無法充分發(fā)揮碳化硅材料在出流能力、散熱能力等方面的優(yōu)勢。這就需要有全新的碳化硅專用封裝技術(shù)?！蔽挠钫f，“另外，在碳化硅功率模塊的驅(qū)動領(lǐng)域，也面臨了新的技術(shù)挑戰(zhàn)。很多客戶都希望碳化硅功率模塊企業(yè)在交付碳化硅功率模塊樣品時，能夠為每個模塊配套專用驅(qū)動?！?/span>

下游客戶的量產(chǎn)需求，也在倒逼碳化硅功率模塊企業(yè)的業(yè)務(wù)拓展和技術(shù)進(jìn)步。面對客戶的車用碳化硅功率模塊需求，基本半導(dǎo)體今年初已在無錫投建汽車級碳化硅功率模塊封裝線，預(yù)計年底通線，2022年6月實現(xiàn)量產(chǎn)。對于客戶關(guān)切的驅(qū)動問題，基本半導(dǎo)體在集團(tuán)內(nèi)部與青銅劍技術(shù)的驅(qū)動團(tuán)隊合作，為其碳化硅功率模塊配套相應(yīng)的驅(qū)動產(chǎn)品。

在市場推廣方面，陳東坡表示，國內(nèi)碳化硅器件在新能源汽車領(lǐng)域遇到的挑戰(zhàn)和問題主要包括三方面。首先，碳化硅MOSFET產(chǎn)品需要盡快推出，并能大批量制造；其次，產(chǎn)品的可靠性和良品率需要大幅提升；最后，價格需要繼續(xù)降低。同時，上游的元器件和下游的汽車廠商需要協(xié)同，加速推進(jìn)可靠性上車認(rèn)證；產(chǎn)業(yè)應(yīng)用生態(tài)也應(yīng)進(jìn)一步完善。

在產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同方面，車用碳化硅和所有國產(chǎn)車規(guī)芯片廠商一樣，要解決下游客戶“不敢用、不好用、不能用”的隱憂?！啊桓矣谩且驗閲a(chǎn)碳化硅器件沒有裝車上路的數(shù)據(jù)。‘不好用’是因為本地配套能力和服務(wù)體系欠缺?！荒苡谩且驗槿狈?yīng)的標(biāo)準(zhǔn)和評價體系?！痹\寅向記者指出。

要解決這三個“不”，原誠寅認(rèn)為，首先要在國內(nèi)形成對車規(guī)芯片的認(rèn)證和評價標(biāo)準(zhǔn)，讓客戶對國產(chǎn)車規(guī)芯片有一個量化的認(rèn)知。否則車企只能選擇國際大廠已經(jīng)裝車搭載的芯片，來規(guī)避不確定性帶來的風(fēng)險。其次，要為國產(chǎn)車規(guī)芯片的試錯、改進(jìn)、提升提供機(jī)制保障。近期，中國汽車芯片產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟舉辦了汽車芯片保險簽約儀式發(fā)布活動，開展汽車芯片保險和保費補貼試點工作，以金融保險手段分擔(dān)產(chǎn)業(yè)鏈上下游風(fēng)險。最后，產(chǎn)業(yè)要形成上下游協(xié)同機(jī)制，提升本地化配套能力，培養(yǎng)本土供應(yīng)鏈。

“國內(nèi)車用芯片尚未形成完整的供應(yīng)鏈體系，缺乏上下游協(xié)同的生態(tài)。希望下游客戶權(quán)衡好短期利益和長期利益，將目光放得長遠(yuǎn)，扶植足夠信任的本地下游伙伴成長，形成包含軟件、服務(wù)、體系的生態(tài)，把本土化配套做起來。”原誠寅說。